EP1828416A1 - Nucleic acid-binding chips for the detection of phosphate deficiency conditions in the framework of bioprocess monitoring - Google Patents

Nucleic acid-binding chips for the detection of phosphate deficiency conditions in the framework of bioprocess monitoring

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Publication number
EP1828416A1
EP1828416A1 EP05822552A EP05822552A EP1828416A1 EP 1828416 A1 EP1828416 A1 EP 1828416A1 EP 05822552 A EP05822552 A EP 05822552A EP 05822552 A EP05822552 A EP 05822552A EP 1828416 A1 EP1828416 A1 EP 1828416A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gene
seq
nucleic acid
homolog
probes
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05822552A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Thomas Schweder
Britta JÜRGEN
Stefan Evers
Karl-Heinz Maurer
Le Thi Hoi
Michael Hecker
Birgit Voigt
Jörg FEESCHE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henkel AG and Co KGaA
Universitaet Greifswald
Original Assignee
Henkel AG and Co KGaA
Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henkel AG and Co KGaA, Ernst Moritz Arndt Universitaet Greifswald filed Critical Henkel AG and Co KGaA
Publication of EP1828416A1 publication Critical patent/EP1828416A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12QMEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6876Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
    • C12Q1/6888Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for detection or identification of organisms
    • C12Q1/689Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes for detection or identification of organisms for bacteria

Definitions

  • the present invention relates to nucleic acid-binding chips for monitoring bioprocesses with a special focus on the detection of phosphate deficiency states and to the use of corresponding gene probes, in particular on such chips, or methods and applications based on such probes and chips.
  • biological processes are meant, for example, the culture of microorganisms on an agar plate or in shaking culture, but in particular their fermentation, or the extraction of raw materials via the fermentation of microorganisms.
  • unicellular eukaryotes such as yeasts or streptomycetes, as well as what gram-negative or gram-positive bacteria.
  • the monitoring of such processes is done on the one hand by observing the changing properties and requirements of the organisms under consideration during the process, which is reflected, for example, in the optical density and viscosity of the medium, in absorbed or emitted gases, in changes in the pH or changing nutrient needs.
  • proteome analysis that is, the consideration of the change in the equipment of the cells in question with proteins, which usually takes place via 2-dimensional gel electrophoresis of the cell lysates
  • analysis of the mRNA formed (transcriptome) via a analogously created "genomic DNA array” and (3.) the chip technology.
  • chip technology is based on the principle of attaching probes for proteins or nucleic acids to physically readable carriers (chips) that directly depend on the presence of the proteins involved , or address nucleic acids.
  • chips physically readable carriers
  • Another advantage is the need for comparatively small sample quantities.
  • the protein-specific chips may be disregarded.
  • mRNA-recognizing chips are usually doped with complementary DNA molecules or DNA analogs. Their preparation and use for very detailed questions such as the differentiation of point mutations is described for example in the application WO 95/11995 A1.
  • DNA chip Analyzes there are those with a PCR amplification of the target sequence and those without amplification. Furthermore, there are those with optical evaluation of the attributable to the detection signals and those with electrical evaluation.
  • the biological problem arises, which selection of gene activities maps the considered process in a suitable way.
  • This also includes the monitoring of product formation, if it is for example a fermentative product production.
  • control genes should also be included which indicate when the process is developing in a direction that is not intended. In the course of this monitoring, for reasons of practicability, a not too high number of different genes should be observed.
  • the stress genes are compared to degP, uvrB, alpA, mltB, recA, ftsH, ibpA, aceA and groEL under the conditions of high cell density By reaction intensity, they clustered among themselves into certain clusters, and this was determined by an RT-PCR and DNA microarray-based and dot-blot added approach, which was run on samples from two time points Fermentation was applied just at the beginning at low cell density and towards the end at high cell density, from which "cell conditioning" approaches were developed to assess the stress response to degrade the cells.
  • the genes used for the purine and the pyrimidine synthesis as well as the specific ribosomal proteins are expressed more strongly in gram-positive bacteria used for overexpression than could be expected on the basis of the findings on Gram-negative bacteria.
  • Another difference concerns the proteases Lon and CIp.
  • nucleic acid-binding chips with individual of these genes are now disclosed in several publications, or at least demonstrated the possibility of their production.
  • the two patent applications DE 10136987 A1 and DE 10108841 A1 each disclose a gene from Corynebacterium glutamicum, namely clpC or citB. Both genes are described as relevant to amino acid metabolism, which is why a commercially interesting use of these genes is to inactivate or at least mitigate them in order to optimize the fermentative production of amino acids by this microorganism. Further applications according to these applications may be to provide probes for the relevant gene products on nucleic acid-binding chips.
  • the application WO 2004/027092 A2 provides a representative cross-section with a manageable number of genes in order to identify various physiological states which an observed microorganism can undergo in the course of the cultivation. These included, for example, starvation of various nutrients or stress situations such as heat or cold shock, shear stress, oxidative stress or oxygen limitation.
  • genes acoA, ahpC, ahpF, citB, clpC, cIpP, codY, cspA, cspB, des, dnaK, eno, glnR, groEL, groL, gsiB, ibpA, ibpB, katA, katE, IctP , Idh, opuAB, phoA, phoD, pstS, purC, purN, pyrB, pyrP, sigB, tnrA, trxA and ydjF.
  • the associated DNA sequences from B. subtilis, E. coli and / or B.
  • nucleic acid-binding chips which, when monitoring a bioprocess based on microorganisms, in particular Gram-positive or Gram-negative bacteria, indicate changes in the metabolic activities characterizing this process.
  • Nucleic acid-binding chips which are based on this selection of genes, provide a certain, but rather rough, overview of the respective metabolic situation. As a rule, they are unable to shed light on a single subproblem; however, a single positive signal may result from different situations or even be false-positive, which is why it often makes sense - and especially in such an unclear situation - to analyze a selected metabolic aspect separately.
  • electrically readable nucleic acid-binding chips which have the advantage of a timely analysis, the number of simultaneously assignable sites is limited, so that additional gene probes can not simply be applied to detect additional, specific metabolic situations.
  • the application DE 10012283 A1 discloses a useful application of the inducibility of genes by phosphate deficiency.
  • the promoters of the genes pstS, phoD, phoB or glpQ from ß. suhtilis is used to regulate transgenes to be activated for heterologous gene expression by gram-positive host bacteria.
  • the PhoP PhoR regulation system from 6. subtilis must be made available at the same time in order to activate the relevant promoters.
  • a phosphate deficiency should be artificially induced in order to achieve via PhoP and PhoR to induce the chosen promoter.
  • phosphate deficiency is a metabolic situation that can be critical for microorganisms and thus limiting for a corresponding bioprocess.
  • nucleotidase whose homologue has an unchanged expression level in E. coli
  • ferritin-like protein and a probable extracellular nuclease NucH whose Expression levels, for example, at ß. licheniformis are not significantly elevated (data not shown).
  • the approach chosen for the present invention is to make as representative as possible a selection of a whole series of genes, wherein not all, according to the invention but several probes in the respective observed organism signals.
  • those genes should be excluded which also give strong or even stronger signals in other metabolic situations than in the phosphate deficiency.
  • the task was to identify genes that can be brought as clearly as possible in organisms, in particular microorganisms with the stress signal of phosphate deficiency in combination.
  • the aim was to develop probes for these genes in order to be able to use them for the monitoring of corresponding bioprocesses.
  • nucleic acid-binding chips with gene probes for single or several of these genes and thereby to obtain nucleic acid-binding chips which reliably indicate the signal "phosphate deficiency" in the course of a monitored bioprocess (phosphate deficiency sensors)
  • genes should be all the more suitable as indicators the stronger this response is. According to the invention, therefore, such genes are selected as phosphate deficiency indicators, which give a clear, significantly above a certain threshold signal lying. The further the result is, the more they are preferred according to the invention, which explains a corresponding staggering with regard to preferred aspects of the invention. At the same time, those genes have been removed that have also produced strong or even stronger signals in situations other than phosphate deficiency (data not shown).
  • yvnA similar to proteins from S. subtilis; SEQ ID NO: 77, 78;
  • pstS phosphate ABC transporter / binding protein; SEQ ID NO: 47, 48); phoD (phosphodiesterase / alkaline phosphatase; SEQ ID NO: 23, 24);
  • cypX cytochrome P450-like enzyme
  • Homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; SEQ ID Nos. 17, 18);
  • pstBA phosphate ABC transporter PstBA; SEQ ID NO: 87, 88;
  • yfmQ (unknown function, SEQ ID NOs: 69, 70);
  • pstC phosphate ABC transporter / permease; SEQ ID NO: 91, 92;
  • yfkN (similar to 2 ', 3'-cyclo-nucleotide-2'-phosphodiesterase; SEQ ID NO: 11, 12);
  • gdh glucose-1-dehydrogenase
  • D alpha-acetolactate decarboxylase
  • spolllAF sporulation factor III AF, SEQ ID NO: 79, 80
  • spoll AB anti-sigma F factor / phase II sporulation protein AB, SEQ ID Nos. 37, 38;
  • spollAA anti-sigma F-factor antagonist / phase II sporulation protein AA, SEQ ID NOs 35, 36;
  • pstA phosphate ABC transporter / permease; SEQ ID NO: 85, 86;
  • spolIGA sporulation factor II GA, SEQ ID NO: 41, 42
  • ctaC cytochrome CAAS oxidase / subunit II; SEQ ID NO: 5, 6;
  • tatCD component of the twin arginine translocation pathway, SEQ ID NOs 25, 26;
  • yhcR (similar to ⁇ 'nucleotidase; SEQ ID NO 13, 14).
  • a solution to the problem consists of a nucleic acid-binding chip doped with probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a presumptive acetoin reductase (homolog to SEQ ID NO. 53), spolIGA, nasE , pstA, spollAA, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, conserved hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO.
  • RNA or its derivative Upon hybridization (sandwich labeling) of a prepared RNA or its derivative with the homologous (congruent with respect to their sequence) provided on the chip probe (target nucleic acid, for example, target DNA or target nucleic acid analogue) results in a corresponding optically or electronically evaluable signal.
  • target nucleic acid for example, target DNA or target nucleic acid analogue
  • the strength of the hybridization signal over a certain - in individual cases optionally to be optimized - range is proportional to the number of specific at the time of sampling in the sample specific mRNA. In this way, the strength of the signal is a direct measure of the activity of the gene in question at the time of sampling.
  • the time interval between sampling and measurement should be kept as short as possible, for example via a largely automated sampling, their processing and management via / through the sensor.
  • a probe according to the invention is usually a compound which is capable of binding mRNA molecules or nucleic acids derived therefrom via hydrogen bonds, as for example also in the interaction of the two strands of a DNA or of the DNA RNA Interaction takes place.
  • This may be, for example, a DNA which is more stable to hydrolysis than RNA.
  • nucleic acid analog probes characterize preferred embodiments of the present application (see below).
  • the specific probes in question would be to synthesize, for example, according to the model of the sequence listing associated with this application. This is in contrast to the aspect that chips according to the invention should advantageously be usable several times, in particular during a single observed process in the course of which continuous monitoring is desirable.
  • the degree of homology between the probe provided and the mRNA or the nucleic acid derived therefrom, which is to be detected by hybridization is limiting for the usefulness of a probe.
  • the degree of hybridization of the probe with the mRNA to be detected decides on its usefulness as a probe and must be experimentally optimized in individual cases and / or taken into account by adjusting the signal evaluation.
  • Example 1 As shown in Example 1, numerous different gene transcripts, that is to say mRNA molecules, were investigated, in particular those of which participation in the phosphate metabolism was generally known. These mRNA molecules were isolated at different times during the transition from B. licheniformis DSM 13 to a phosphate deficient state. Example 1 also describes how the concentration increase of this mRNA inside the cell of B. licheniformis was determined experimentally. Alternative determination possibilities for this may be established in the prior art; decisive for the understanding of the present invention is the compilation in Table 1 (Example 2). It shows the concentration changes associated with the transition for a total of 235 mRNAs.
  • the following threshold values for the ratio of the RNA amount of the respective gene to the control value were considered significant: According to the invention, the genes whose RNA has a ratio of> 3 (ie at least one tripling) are considered induced; a clear induction is present at a ratio of>10; clearly repressed are genes with an RNA ratio ⁇ 0.3 (that is, a lowering to less than 30%). In the 235 genes listed in Table 1, at least one tripling was observed at any of the time points in question.
  • licheniformis DSM 13 is generally available from the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Mascheroder Weg 1 b, 38124 Braunschweig (http://www.dsmz.de). He holds the accession number ATCC 14580 from the American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas, VA 20110-2209, USA (http://www.atcc.org).
  • GenBank National Center for Biotechnology Information, NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA.
  • homologs can be found in most species for most of the 47 genes mentioned, including in cyanobacteria, in eukaryotic cells such as fungi, or in gram-negative species such as E. coli or Klebsiella. This probability is even higher for Gram-positive bacteria, in particular the genus Bacillus, because B. licheniformis DSM 13, of which the sequences listed in the sequence listing are derived, is such a Gram-positive bacterium.
  • the homologous genes are also increasingly subjected to the same or equivalent regulatory mechanisms; thus these homologues should also indicate the same metabolic situation, in particular a phosphate deficiency.
  • B. licheniformis DSM 13 of which the sequences listed in the sequence listing are derived
  • licheniformis is a horrinous organism, because the species S. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. lentus, B. globigii, which are likewise particularly important commercially, are also Bacilli and thus Gram-positive. This complies with the relevant aspect of the task.
  • nucleic acid-binding chip In the production of a nucleic acid-binding chip according to the invention for an organism not mentioned here, the associated homologous genes must therefore be identified for at least some of the genes mentioned for B. licheniformis, for example by a comparison of those known for the organism concerned DNA sequences with the sequences given here. These or parts thereof (see below) can then serve as probes or as template for the synthesis of corresponding probes, which are applied to a nucleic acid-binding chip by methods known per se.
  • the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 or 50.
  • probes for other genes which are not discussed in the present application, and which serve for the control, for example those which are only expressed if there is sufficient phosphate supply.
  • the disappearance of a signal due to this can also indicate the transition to the phosphate deficiency state. Should such a signal be preserved, this serves to control how reliable the signal of the phosphate deficiency to be determined according to the invention is.
  • metabolism-specific probes may be, for example, those that are induced by an excess of phosphate, possibly also others that are apparently not directly related to the Phosphatstoff Touch, but can be defined as such due to this inducibility.
  • such a chip also provides an evaluable information useful in the considered process, if the lack of phosphate has been overcome, for example, by taking appropriate countermeasures.
  • nucleic acid-specific probes are usually only fragments of the complete genes (see below). In individual cases, for example in the case of regulation via splicing or large, polyfunctional polypeptides, it may therefore be useful to detect one and the same gene with two or more different probes. Thus, appropriate embodiments are optionally characterized by more than 47 probes, but which respond to no more than these 47 genes.
  • the core of the invention lies precisely in the specificity of the respective chip, with which a special metabolic situation should be detected.
  • Producing a chip with more than 100 probes responsive to different genes, or even a chip that mimics most of the genome of an organism, is not part of the invention described herein for such a specific problem because of the expense involved.
  • both types of chips can be sensibly used side by side in an observed bioprocess:
  • the chips with a large number of different gene probes or with a representative cross-section of various possibly relevant situations can be coarse
  • a chip according to the invention is consulted for control, if there is cause for concern, the cells in question could enter into a phosphate deficiency state.
  • it is a nucleic acid-binding chip according to the invention, which is increasingly preferably doped with the probes specified above in the order given there.
  • the genes listed in Table 3 in reverse order.
  • chips with probes to the gene yhcR similar to the 5'-nucleotidase; SEQ ID NO 13, 14
  • SEQ ID NO 13 5'-nucleotidase
  • those with a probe for the gene yvmC are most preferred for gene selection. Because this showed a nearly 150-fold induction compared to the initial level and thus the strongest of all genes. The signal associated with this should therefore be best suited to indicate the metabolic situation "phosphate deficiency" of all genes investigated.
  • it is a nucleic acid-binding chip according to the invention, wherein at least three of the probes are selected from the following 39 genes: gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, gene for a preserved hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, gene for a putative aromatic-specific dioxygenase (homolog to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homolog to SEQ ID NO 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratas
  • nucleic acid-binding chips wherein at least three of the probes are selected from the following 14 genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO: 17), gene for putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS , phoB, yvnA, yvmC.
  • nucleic acid-binding chips wherein at least one, more preferably two or three, of the probes are / are selected from the following 3 genes: phoB, yvnA, yvmC.
  • nucleic acid-binding chips according to the invention are at least 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 or 47 of the probes mentioned in the present invention.
  • the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
  • the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, very particularly Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
  • This object also includes chips according to the invention which are directed to the monitoring of the course, in particular of the growth of cell cultures of higher eukaryotes, for example of rodents or of humans. They may also be understood, in a sense, as at least largely unicellular eukaryotes, which have considerable commercial significance, in particular in immunology, for example for the production of monoclonal antibodies.
  • Preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention are those which are additionally doped with at least one probe for an additional gene, in particular one which is in a metabolic-related relationship to the gene (s) additionally expressed in terms of the process ), especially for one of them or this one.
  • the observed processes serve a technical interest, often associated with other specific genes. This is, for example, in the case that a protein is to be produced to the gene for this protein and in the case that a low molecular weight compound is to be produced, by one or more gene products, which lie in the synthesis route of the compound in question or to regulate this.
  • genes of the cell such as metabolic genes that must be increasingly formed in the course of product manufacture, such as a cell's own oxidoreductase, if the product is to be obtained from a starting material or an intermediate via oxidation or reduction.
  • the additionally expressed gene for the process is that for a commercially useful protein, in particular an amylase, cellulase, lipase, oxidoreductase, hemicellulase or protease, or one which is synthesized for a low molecular weight chemical compound or at least partially regulated.
  • bioprocesses especially fermentations, in which the said proteins are produced.
  • bioprocesses especially fermentations, in which the said proteins are produced.
  • These are commercially particularly important enzymes, which are used for example in the food industry or the detergent industry. In the latter case, in particular for the removal of soils which are hydrolyzable by amylases, cellulases, lipases, hemicellulases and / or proteases, for the treatment of concerned materials, in particular by cellulases or to provide a based on an oxidoreductase enzymatic bleaching system.
  • the latter variant falls within the field of biotransformation, according to which certain metabolic activities of microorganisms, if introduced in addition, are exploited for the synthesis of chemical compounds.
  • nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably several, of the probes mentioned in connection with the invention described here is / are provided in the form of the single-stranded strand in the form of the codogenic strand.
  • This embodiment aims to improve the hybridization between the probe and the sample to be detected. This applies in particular to the case where the content of the relevant mRNA is actually determined from the sample. Since this is single-stranded and in its sequence matches the coding strand of the DNA, an optimal hybridization should be done with the complementary, that is the codogenic strand.
  • nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably several, of the probes mentioned in connection with the invention described here is / are provided in the form of the single-stranded strand in the form of the codogenic strand.
  • This embodiment aims to improve the hybridization between the probe and the sample to be detected. This applies in particular to the case where the content of the relevant mRNA is actually determined from the sample. Since this is single-stranded and in its sequence matches the coding strand of the DNA, an optimal hybridization should be done with the complementary, that is the codogenic strand.
  • one, preferably more, of the probes called relevant to the invention is / are provided in the form of a DNA or a nucleic acid analog, preferably a nucleic acid analog.
  • This embodiment aims to improve the durability and multiple use of the chips of the invention. This need arises, in particular, during a single observed process during which constant monitoring is desirable.
  • the durability of chips according to the invention, in particular with respect to nucleic acid-hydrolyzing enzymes, is already increased by the provision of the probes in the form of a DNA, since this per se is less susceptible to hydrolysis than, for example, an RNA.
  • the chip according to the invention should be used to detect the mRNA actually present in the observed cells, so that for the purpose under consideration only the gene segment that is actually translated into mRNA is of importance.
  • introns occur, in particular in the case of eukaryotes, ie the coding region is interrupted by sections which are not translated into mRNA. Probes containing introns are therefore unlikely to respond poorly to the mRNA in question. To realize this aspect, it is advisable not to resort to genomic DNA sequences, but to cDNA sequences, that is, those obtained from the actual mRNA.
  • hybridization over the entire length of the sequence is often unnecessary to detect mRNA.
  • the specific probes therefore usually only need to comprise a smaller of the transcribed into mRNA gene. It is advantageous for this a selection of a region that is close to the 5 'end of the mRNA, since this is first transcribed into mRNA and thus is the first detectable after activation of the gene. This is contrary to a timely proof.
  • one or more of the probes called relevant to the invention are / are responsive to fragments of the respective nucleic acids, in particular to those which have a low degree of secondary folding in the relevant mRNA, based on the respective total mRNA ,
  • mRNA molecules are often present in a secondary structure, which is based on hybridization of individual mRNA regions with their own other areas. For example, it comes to loop or Stem-Ioop structures. However, such regions are generally less likely to hybridize to other nucleic acid molecules, even if they are homologous. Such areas can be calculated quite accurately from computer programs directed thereto (see below).
  • one, preferably more, of the probes called relevant to the invention has a length of increasingly preferably less than 200, 150, 125 or 100 nucleotides, preferably from 20 to 60 nucleotides, particularly preferably from 45 to 55 nucleotides on.
  • the probes used for the detection reaction need only to include parts of the mRNA to be detected, if the signal available on them is still specific enough. This specificity, the distinctness of different mRNA sets the lower limit for the length of the respective probes and must be determined experimentally if necessary in preliminary experiments.
  • the identification of suitable probe lengths and regions is known per se to the person skilled in the art and is normally carried out with the aid of specialized software. Examples of such software are the programs array designer of the company. Premier Biosoft International, USA, and Vector NTI ® Suite, V. 7, available from InforMax, Inc., Bethesda, USA. In addition to the secondary structures already mentioned, these software programs also take into account, for example, given probe lengths and melting temperatures.
  • the time from sampling to measuring the signal for optically analyzable chips is about 24 hours.
  • the time required is currently less than 2 h (see Figure 1).
  • the number of simultaneously analyzable samples in electrically analyzable chips is currently in the double digits, but a rapid development suggests that this magnitude can be exceeded soon. Limiting this are the electronic evaluation units for the various signals.
  • a method for mRNA quantification established in the prior art is, for example, RT-PCT.
  • This is described in the article "Quantification of Bacterial mRNA by One-Step RT-PCR Using the LightCycler System” (2003) by S.Tobisch, T Koburger, B. Jürgen, S. Léja, M. Hecker and T. Schweder in BIOCHEMICA, Volume 3, pages 5 to 8.
  • the detection of electrical chips has another advantage, namely the higher reliability of the data these have significantly lower fluctuation ranges compared to the RT-PCR.
  • a detection probe is introduced into the incubation chamber labeled with a biotin extravidin-linked alkaline phosphatase. This probe binds to a second free region of the hybridized mRNA. This hybrid is then washed again and incubated with the substrate of the alkaline phosphatase para-aminophenol phosphate (pAPP). The enzymatic reaction in the incubation chamber leads to the release of the redox-active product para-aminophenol (pAP). This is now passed over the Red / Ox electrode on the electrical chip and sent the signal to a potentiostat.
  • System-specific software reads the data obtained and the results can be evaluated and displayed on another computer using another program (for example, Origin).
  • the detection reaction can also be carried out by another, but preferably a redox reaction because of the electrical measuring principle.
  • the advantage of chips Compared to conventional detection methods, in addition to gaining time and accuracy, with the provision of multiple probes on one support simultaneously in the same sample, the activities of several different genes can be detected and a more solid and detailed picture as described herein for a specific problem for example, the time at which a phosphate deficiency occurred.
  • a separate subject of the invention is thus the simultaneous use of nucleic acid or nucleic acid analog probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a presumptive acetoin reductase (homolog to SEQ ID NO.
  • gene activities can in principle be determined in various ways, for example by Northern hybridization.
  • the metabolic changes of an organism undergoing a biological process can be monitored promptly and, if necessary, intervened by regulatory means.
  • nucleic acid-binding chips apply correspondingly to the uses of the probes described here.
  • the total number of all phosphate metabolism-specific different probes does not exceed 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 or 50, again including positive controls from the other phosphate metabolism.
  • pstBB gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homolog to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a presumptive decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO.
  • yfkN preferably including at least three of the following genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS, homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC;
  • the gram-negative bacteria being those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and whole especially derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5 ⁇ , E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
  • E. coli or Klebsiella in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and whole especially derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5 ⁇ , E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
  • the low-molecular chemical compound is a natural substance, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
  • the protein is an enzyme, in particular one from the group of ⁇ -amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
  • nucleic acid-binding chips according to the invention, as described in detail above, for determining the physiological state of an organism passing through a biological process.
  • nucleic acid-binding chips apply correspondingly to the uses described herein for determining the physiological state of an organism passing through a biological process.
  • such uses according to the invention are preferred, wherein a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process is determined, preferably a phosphate deficient state.
  • the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
  • the unicellular eukaryotes being protozoa or fungi, in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
  • the Gram-positive bacteria being Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and more particularly ⁇ . licheniformis.
  • the Gram-positive bacteria being Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and more particularly ⁇ .
  • the Gram-negative bacteria being those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and more particularly Derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5 ⁇ , E. coli JM109, E. CO // XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
  • the Gram-negative bacteria being those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and more particularly Derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5 ⁇ , E. coli JM109, E. CO // XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
  • such uses according to the invention are furthermore preferred, the process being a fermentation, in particular the fermentative production of a commercially useful product, more preferably the production of a protein or a low-molecular chemical compound.
  • the low-molecular chemical compound is a natural substance, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
  • the protein is an enzyme, in particular one from the group of ⁇ -amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
  • the cell disruption was carried out with the "Hybaid RiboLyser TM Cell Disruptor” (Thermo Electron Corporation, Dreieich, Germany) . This method is based on the mechanical destruction of the cell wall and the cell membrane with the aid of approximately 0.1 mm small glass beads (Fa.
  • RNA 6000 Nano Kit The Agilent Bioanalyzer 2100 apparatus (Agilent Technologies, Berlin, Germany), which is used for this purpose, makes it possible to analyze RNA on a lab-on-a-chip scale. Together with Agilent's "RNA 6000 Nano Kit", the total RNA is separated by gel electrophoresis and thus offers the opportunity to study the quality of partial degradation and contamination by using ribosomal RNA (16 S and 23 S rRNA). detected. If these are clear bands, one can assume that the RNA was not degraded in the course of processing and thus is intact and can be introduced into the subsequent explorations. In addition, the exact concentration is determined.
  • Transcriptome analyzes were performed on whole genomic B. licheniformis DSM13 DNA microarrays which had been prepared in a conventional manner (for example according to WO 95/11995 A1) and can be evaluated by means of an optical system. Almost every B. licheniformis gene was duplicated on these DNA microarrays so that two samples could be analyzed in parallel on the same chip and the values obtained could be averaged.
  • the principle of the measurement carried out is that the respective mRNA molecules are transcribed from the sample taken in vitro via a reverse transcription into DNA, wherein one of the added deoxyribonucleotides carries a color marker. These labeled molecules are then hybridized with the known, lying on known locations of the chip probes and optically detected the respective strength of the attributable to the relevant sites on the fluorescent marker signal.
  • fluorescent markers for a control and for a sample actually to be examined, which are simultaneously hybridized and thus compete for binding to the probe presented, different color values are obtained, which are a measure of the concentration of the control Provide concentration of the sample.
  • dUTP was selected, which was labeled with the fluorescent dye cyanine 3 or with cyanine 5.
  • the fluorescent dye cyanine 3 (Amersham Biosciences Europe GmbH, Freiburg, Germany)
  • 25 ug total RNA of the respective stress test transient phase, 30, 60 and 120 min
  • the fluorescent dye cyanine 5 (GE Healthcare, Freiburg, Germany).
  • Example 1 The determined in Example 1 235 genes of Bacillus licheniformis DSM13, whose (at least the factor of 3 amounts) induction was observed under phosphate deficiency (for explanations see text).

Abstract

The invention relates to nucleic acid-binding chips for monitoring bioprocesses, especially for detecting phosphate deficiency conditions. Said chips support probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a putative acetoin reductase, spollGA, nasE, pstA, spollAA, gene for a hypothetical protein, yhbD, cotE, gene for a conserved hypothetical protein,yurl, spoVID, gene for a putative aromatics-specific dioxygenase, yhbE, gene for a putative benzoate transport protein, pstBB, spoIIIAH, gene for a hypothetical protein, spollQ, spollIAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease, dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase/dehydratase, htpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, dhaS homologue, gene for a putative phosphatase, phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, the total number of phosphate metabolism-specific different probes on the nucleic acid-binding chips not exceeding 100. The invention further relates to the use of corresponding gene probes, particularly on such chips, as well as corresponding methods and possible uses.

Description

Nukleinsäure-bindende Chips zur Detektion von Phosphatmangelzuständen im Rahmen der Bioprozeßkontrolle Nucleic acid-binding chips for the detection of phosphate deficiency states in the context of bioprocess control
Die vorliegende Erfindung betrifft Nukleinsäure-bindende Chips zur Überwachung von Bioprozessen unter spezieller Ausrichtung auf die Detektion von Phosphatmangelzuständen sowie die Verwendung entsprechender Gensonden, insbesondere auf solchen Chips, beziehungsweise Verfahren und Verwendungsmöglichkeiten, die auf derartigen Sonden und Chips beruhen.The present invention relates to nucleic acid-binding chips for monitoring bioprocesses with a special focus on the detection of phosphate deficiency states and to the use of corresponding gene probes, in particular on such chips, or methods and applications based on such probes and chips.
Bei der technischen Nutzung biologischer Prozesse stellt sich das sehr grundlegende Problem, deren Verlauf zu überwachen, um zum gewünschten Ergebnis zu gelangen, um Ressourcen zu schonen und/oder um in einer gegebenen Zeit ein optimales Ergebnis zu erzielen. Unter biologischen Prozessen sind beispielsweise die Kultur von Mikroorganismen auf einer Agarplatte oder in Schüttelkultur zu verstehen, insbesondere aber deren Fermentation, beziehungsweise die Gewinnung von Rohstoffen über die Fermentation von Mikroorganismen. Hierzu gibt es einen reichhaltigen Stand der Technik, sowohl was einzellige Eukaryonten wie Hefen oder Streptomyceten, als auch was gramnegative oder grampositive Bakterien angeht.In the technical use of biological processes, the very fundamental problem is to monitor their course in order to achieve the desired result in order to conserve resources and / or to achieve an optimal result in a given time. By biological processes are meant, for example, the culture of microorganisms on an agar plate or in shaking culture, but in particular their fermentation, or the extraction of raw materials via the fermentation of microorganisms. For this there is a rich state of the art, both in terms of unicellular eukaryotes such as yeasts or streptomycetes, as well as what gram-negative or gram-positive bacteria.
Die Überwachung derartiger Prozesse (Monitoring) geschieht einerseits durch die Beobachtung der sich im Laufe des Prozesses wandelnden Eigenschaften und Anforderungen der betrachteten Organismen, was sich beispielsweise in der optischen Dichte und Viskosität des Mediums, in aufgenommenen oder abgegebenen Gasen, in Änderungen des pH-Werts oder sich wandelnden Nährstoffbedürfnissen niederschlägt. Hierzu kann man auch die Messung enzymatischer Aktivitäten über geeignete Assays rechnen, beispielsweise den Nachweis interessierender Aktivitäten im Kulturüberstand.The monitoring of such processes (monitoring) is done on the one hand by observing the changing properties and requirements of the organisms under consideration during the process, which is reflected, for example, in the optical density and viscosity of the medium, in absorbed or emitted gases, in changes in the pH or changing nutrient needs. For this purpose, it is also possible to calculate the measurement of enzymatic activities by means of suitable assays, for example the detection of activities of interest in the culture supernatant.
Andererseits sind in den letzten Jahren verschiedene Techniken entwickelt worden, um die Stoffwechselprozesse der betreffenden Organismen auf der Ebene der Genexpression zu verfolgen. Eine gängige Methode hierfür ist die Verwendung von Genen für leicht nachzuweisende Proteine als Indikatoren für die Aktivität der Promotoren für die eigentlich interessierenden Gene (Promotor-Analyse, Genexpressions-Analyse). Hierfür sind auch entsprechende Apparaturen (sogenannte (Bio-)Sensoren) entwickelt worden. Andere Techniken befassen sich mit dem Nachweis der interessierenden Proteine beziehungsweise der für diese Proteine codierenden mRNA. Hierzu gehören (1.) die Proteom-Analyse, das heißt die Betrachtung der Veränderung der Ausstattung der betreffenden Zellen mit Proteinen, welche zumeist über 2-dimensionale Gelelektrophorese der Zellysate erfolgt, (2.) die Analyse der gebildeten mRNA (Transkriptom) über ein in analoger Weise erstelltes „genomisches DNA-Array" und (3.) die Chip-Technologie.On the other hand, in recent years, various techniques have been developed to follow the metabolic processes of the subject organisms at the gene expression level. A common method for this is the use of genes for easily detected proteins as indicators of the activity of the promoters for the actually interesting genes (promoter analysis, gene expression analysis). For this purpose, corresponding apparatuses (so-called (bio) sensors) have been developed. Other techniques are concerned with the detection of the proteins of interest or of the mRNA coding for these proteins. These include (1.) the proteome analysis, that is, the consideration of the change in the equipment of the cells in question with proteins, which usually takes place via 2-dimensional gel electrophoresis of the cell lysates, (2.) the analysis of the mRNA formed (transcriptome) via a analogously created "genomic DNA array" and (3.) the chip technology.
Letztere befindet sich in einem vergleichsweise frühen Entwicklungsstadium. Während die beiden zuerst genannten Methoden letzlich auf quantitativen Isolierungen und zeitaufwendigen Analysen der betreffenden Makromoleküle beruhen, liegt der Chip-Technologie das Prinzip zugrunde, auf physikalisch auslesbaren Trägern (Chips) Sonden für Proteine oder für Nukleinsäuren anzubringen, die unmittelbar auf das Vorhandensein der betreffenden Proteine, beziehungsweise Nukleinsäuren ansprechen. Gegenüber den beiden zuerst genannten Technologien verspricht man sich von derartigen Chips eine zum betrachteten Prozeß zeitnahe Analyse (/\f-//ne-Analyse). Ein weiterer Vorteil ist der Bedarf an vergleichsweise kleinen Probenmengen.The latter is in a relatively early stage of development. While the first two methods are based on quantitative isolation and time-consuming analyzes of the macromolecules in question, chip technology is based on the principle of attaching probes for proteins or nucleic acids to physically readable carriers (chips) that directly depend on the presence of the proteins involved , or address nucleic acids. Compared to the two first mentioned technologies, one expects from such chips a timely analysis of the considered process (/ \ f - // ne-analysis). Another advantage is the need for comparatively small sample quantities.
Das Prinzip von Chip-basierten Messungen wird beispielsweise in dem Artikel „Real-time electrochemical monitoring: toward green analytical chemistry" von J. Wang (Acc. Chem. Res.; ISSN 0001-4842; Rec. Sept. 12. 2001 , Seiten A - F) schematisch in Figur 2 vorgestellt. Demnach wird die zu analysierende Probe mit einer Erkennungsschicht (biorecognition layer) in Kontakt gebracht, bei der es sich beispielsweise um Enzym, Antikörper, Rezeptor oder DNA handeln kann; das hierüber empfangene Signal wird über einen Umwandler (Transducer), beispielsweise eine amperometrische oder potentiome- trische Elektrode, über einen Verstärker (amplification/processing) als elektrische Spannung oder als elektrisches Potential ausgegeben. In der betreffenden Arbeit werden auch optische Systeme angesprochen, denen gegenüber die elektronisch auswertbaren Systeme hinsichtlich der Miniaturisierbarkeit und anderer Vorteile dem Autor günstiger erschienen.The principle of chip-based measurements is described, for example, in the article "Real-time Electrochemical Monitoring: Towards Green Analytical Chemistry" by J. Wang (Acc. Chem. Res. ISSN 0001-4842; Rec. Sept. 12, 2001, pages A - F) is schematically presented in Figure 2. Thus, the sample to be analyzed is contacted with a recognition layer (biorecognition layer), which may be, for example, enzyme, antibody, receptor or DNA; Transducers, for example an amperometric or potentiometric electrode, are output via an amplifier (amplification / processing) as an electrical voltage or as an electrical potential.The work in question also addresses optical systems in relation to which the electronically evaluable systems can be miniaturized and other benefits seemed more favorable to the author.
Aufgrund der vorliegenden Erfindung können die Protein-spezifischen Chips außer Betracht bleiben. mRNA erkennende Chips sind in der Regel mit komplementären DNA- Molekülen oder DNA-Analoga dotiert. Deren Herstellung und Nutzung zu sehr detaillierten Fragestellungen wie beispielsweise der Differenzierung von Punktmutationen wird beispielsweise in der Anmeldung WO 95/11995 A1 beschrieben. Unter den DNA-Chip- Analysen gibt es solche mit einer PCR-Amplifikation der Zielsequenz und solche ohne Amplifikation. Ferner gibt es solche mit optischer Auswertung der auf die Erkennung zurückzuführenden Signale und solche mit elektrischer Auswertung.Due to the present invention, the protein-specific chips may be disregarded. mRNA-recognizing chips are usually doped with complementary DNA molecules or DNA analogs. Their preparation and use for very detailed questions such as the differentiation of point mutations is described for example in the application WO 95/11995 A1. Among the DNA chip Analyzes, there are those with a PCR amplification of the target sequence and those without amplification. Furthermore, there are those with optical evaluation of the attributable to the detection signals and those with electrical evaluation.
Die optischen Detektionsmethoden erfordern zum Teil einen Verstärkungsmechanismus der Signale. Hierfür werden zum Beispiel Fluorophore, Acridiniumester oder eine indirekte Detektion über sekundäre Bindungsvorgänge, zum Beispiel über Biotin, Avi- din/Streptavidin oder Digoxigenin beschrieben. Im letzteren Falle werden zum optischen Nachweis Digoxigenin-spezifische Antikörper eingesetzt, die mit einem Enzym markiert werden. Dabei wird die Enzymaktivität entweder kolorimetrisch oder über Lumineszenz nachgewiesen. Nach Westin et al. (2000), Nature Biotechnol., 18, S. 199-204, kann die Hybridisierung mit einer PCR auf dem DNA-Chip gekoppelt werden, um so die gesamte Nachweisreaktion auf einem Chip durchführen zu können („Lab-on-a-Cfr/p-Konzept").The optical detection methods sometimes require an amplification mechanism of the signals. For example, fluorophores, acridinium esters or indirect detection via secondary binding processes, for example via biotin, avidin / streptavidin or digoxigenin, are described for this purpose. In the latter case, digoxigenin-specific antibodies are used for optical detection, which are labeled with an enzyme. The enzyme activity is detected either colorimetrically or via luminescence. According to Westin et al. (2000), Nature Biotechnol., 18, pp. 199-204, the hybridization can be coupled to a PCR on the DNA chip so as to perform the entire detection reaction on a chip ("Lab-on-a-Cfr / p "concept).
Weitere Arbeiten beschreiben die Entwicklung von DNA-Chips, die das Prinzip der Kapillarelektrophorese zur DNA-Sequenzierung, beziehungsweise Trennung miniaturisieren (Woolley und Mathies (1994), Proc. Natl. Acad. Sei., 91, S. 11348-11352; Liu et al. (2000), Proc. Natl. Acad. Sei., 97, S. 5369-5374).Further work describes the development of DNA chips that miniaturize the principle of capillary electrophoresis for DNA sequencing or separation (Woolley and Mathies (1994), Proc. Natl. Acad., Sci., 91, pp. 11348-11352; Liu et (2000), Proc Natl Acad., Sci., 97, pp. 5369-5374).
Elektrisch auslesbare DNA-Chips sind in einigen Publikationen prinzipiell bereits vorgestellt worden (Hoheisel (1999), DECHEMA Jahresbericht 1999, S. 8-11 ; Hintsche et al. (1997), EXS, 80, S. 267-283). Wright et al. (2000; Anal. Biochem., 282, S. 70-79) nutzten einen „lon-Channel-Sensor" (ICS) zur DNA-Detektion, wie er erstmalig von Cornell et al. (1997; Nature, 387, S. 580-583) beschrieben wurde. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Leitfähigkeit molekularer lonenkanäle durch eine Bindungsreaktion detektiert wird. Im wesentlichen stellt der Sensor ein Impedanz-Element dar. Cheng et al. (1998; Nat. Biotechnol., 16, S. 541-546) zufolge können elektrische Impulse zu einer Verstärkung der Hybridisierungsreaktion auf optischen DNA-Chips genutzt werden. Fritsche et al. (2002; Laborwelt II) schlugen ein elektrisches Chip-System vor, das mit metallischen Nanopartikeln arbeitet, die zum Beispiel an Oligonukleotide gebunden sind. Bei diesem System wird durch eine sogenannte „metallische Verstärkung" während der Hybridisierungsreaktion ein Abfall des elektrischen Widerstandes an der Elektrode ausgelöst, der dann als Signal meßbar ist. Ein weiterer Ansatz basiert auf einem elektrischen Detektionsprinzip, in dem DNA-Sonden verwendet werden, die durch die Markierung mit einem geeigneten Enzym (zum Beispiel alkalische Phosphatase) nach der Hybridisierung zu einem elektrisch aktiven Substrat führen, das dann durch eine Redox-Reaktion an der Elektrode detektierbar ist (Hintsche et al. (1997), EXS, 80, S. 267-283).Electrically readable DNA chips have already been introduced in principle in some publications (Hoheisel (1999), DECHEMA Annual Report 1999, pp. 8-11, Hintsche et al. (1997), EXS, 80, pp. 267-283). Wright et al. (2000, Anal. Biochem., 282, pp. 70-79) used a "lon channel sensor" (ICS) for DNA detection as first described by Cornell et al., (1997; Nature, 387, p. 580-583), which is a process whereby the conductivity of molecular ion channels is detected by a binding reaction, essentially the sensor is an impedance element. Cheng et al (1998, Nat. Biotechnol. 16, pp. 541-546), electrical impulses can be used to enhance the hybridization reaction on optical DNA chips, and Fritsche et al (2002, Laborwelt II) proposed an electric chip system that uses metallic nanoparticles, the In this system, a so-called "metallic amplification" during the hybridization reaction triggers a decrease in the electrical resistance at the electrode, which is then measurable as a signal. Another approach is based on an electrical detection principle, in which DNA probes are used, which lead by labeling with a suitable enzyme (for example, alkaline phosphatase) after hybridization to an electrically active substrate, which then by a redox reaction at the Electrode is detectable (Hintsche et al. (1997), EXS, 80, pp. 267-283).
Wenn man sich hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus und des Auswertungssystems für einen bestimmten Nukleinsäure-erkennenden Chip-Typus entschieden hat, stellt sich das konkretere Problem, welche Genaktivitäten beobachtet werden sollen. Dabei ist zu bedenken, daß in der Zahl der mit einem Nukleinsäure-Chip-Typ gleichzeitig analysierbaren Gene technisch bedingte Grenzen bestehen. So sind optisch auslesbare Chips, was die Zahl der Sonden, die auf dem Chip aufgebracht werden können, den elektrisch auswertbaren derzeit überlegen. Deren Grenzen werden durch die Miniaturisierbarkeit der elektronischen Meßeinheiten gesetzt.If one has decided on a particular nucleic acid-recognizing chip type with regard to the basic structure and the evaluation system, the more concrete problem arises as to which gene activities should be observed. It should be remembered that in the number of simultaneously analyzable genes with a nucleic acid chip type technically related limits exist. Thus, optically readable chips, what the number of probes that can be applied on the chip, the electrically evaluable currently superior. Their limits are set by the miniaturization of the electronic measuring units.
Es stellt sich somit das biologische Problem, welche Auswahl von Genaktivitäten den betrachteten Prozeß in geeigneter Weise abbildet. Hierzu gehört auch die Überwachung der Produktbildung, wenn es sich beispielsweise um eine fermentative Produktherstellung handelt. Gleichzeitig sollten auch Kontrollgene eingeschlossen werden, die anzeigen, wenn der Prozeß sich in eine Richtung entwickelt, die nicht beabsichtigt ist. Im Zuge dieses Monitoring sollte aus Praktikabilitätsgründen eine nicht zu hohe Zahl an verschiedenen Genen beobachtet werden.Thus, the biological problem arises, which selection of gene activities maps the considered process in a suitable way. This also includes the monitoring of product formation, if it is for example a fermentative product production. At the same time, control genes should also be included which indicate when the process is developing in a direction that is not intended. In the course of this monitoring, for reasons of practicability, a not too high number of different genes should be observed.
Von besonderem technischem Interesse sind biotechnologische Prozesse mit grampositiven Bakterien. Denn diese werden besonders aufgrund ihrer Fähigkeit zur Sekretion zur industriellen Herstellung von Wertstoffen eingesetzt. Hierunter haben solche der Gattung Bacillus und hierunter wiederum die Spezies ß. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. licheniformis, B. lentus und B. globigii derzeit die wirtschaftlich größte Bedeutung.Of particular technical interest are biotechnological processes with Gram-positive bacteria. Because these are used especially for their ability to secretion for the industrial production of recyclables. Among them are those of the genus Bacillus and among these in turn the species ß. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. licheniformis, B. lentus and B. globigii are currently the most economically important.
Mit der simultanen Beobachtung der Aktivität mehrerer Gene in Bakterien (multiparame- trische Erfassung) befassen sich beispielsweise die im folgenden vorgestellten Arbeiten. In dem Artikel „Monitoring of genes that respond to process-related stress in large-scale bioprocesses" von Schweder et al. (1999), Biotech. Bioeng., 65, S. 151-159, wird die Veränderung der mRNA-Spiegel verschiedener durch Streß-Faktoren induzierbarer Gene, nämlich clpB, dnaK (induziert bei Hitzeschock), uspA (Glucose-Mangel), proU (osmotischer Streß), pfl und frd (O2-Mangel) und ackA (Glucose-Überschuß) im Verlauf einer Fermentation von E. coli und in der nachfolgenden Konzentrierungsphase beschrieben. Sie wurden über eine PCR-basierte, auf herkömmliche Weise durchgeführte Methode erfaßt. Hierbei wurden unterschiedliche Expressionsraten bereits an verschiedenen Stellen des Reaktors und sekundenschnelle Reaktionen auf veränderte Bedingungen festgestellt.For example, the work presented below deals with the simultaneous observation of the activity of several genes in bacteria (multiparameter detection). Schweder et al., (1999) Biotech Bioeng., 65, pp. 151-159, reports that the change in mRNA levels is different in the article "Monitoring of genes that respond to process-related stress in large-scale bioprocesses." by stress factors of inducible genes, namely clpB, dnaK (induced in heat shock), uspA (glucose deficiency), proU (osmotic stress), pfl and frd (O 2 deficiency) and ackA (glucose excess) in the course of a fermentation of E. coli and in the subsequent concentration phase described. They were collected via a PCR-based, conventionally performed method. In this case, different expression rates were already determined at different points of the reactor and reactions in a matter of seconds to changed conditions.
Eine weitere Fermentation von E. coli wird in der Arbeit „Monitoring of genes that respond to overproduction of an insoluble recombinant protein in Escherichia coli glucose-limited fed-batch fermentations" von Jürgen et al. (2000), Biotech. Bioeng., 70, S. 217-224, beschrieben. Hierin wird die Expression der Gene Ion, dnaK, ibpB, MrA, ppiB, groEL, tig, s6, 19 und dps, teilweise auf mRNA-, teilweise auf Proteinebene, teilweise auf beiden Ebenen betrachtet. Dabei erfolgte die Untersuchung über 2D-PAGE, beziehungsweise die DNA-array-Technik. Angesichts der Ergebnisse wird vorgeschlagen, rekombinante Bioprozesse wie die heterologe Protein-Herstellung über (unmittelbar) Prozeß-relevante Proteine und Reporter-Gene wie ibpB zu verfolgen.A further fermentation of E. coli is described in the work "Monitoring of genes that respond to overproduction of an insoluble recombinant protein in Escherichia coli glucose-limited fed-batch fermentations" by Jürgen et al., (2000) Biotech Bioeng., 70 217-224, which considers the expression of the genes Ion, dnaK, ibpB, MrA, ppiB, groEL, tig, s6, 19 and dps, in part on mRNA, partly at the protein level, partly at both levels. The investigation was carried out using 2D-PAGE or the DNA-array technique In view of the results, it is proposed to follow recombinant bioprocesses such as heterologous protein production via (directly) process-relevant proteins and reporter genes such as ibpB.
Mit einer weiteren Beobachtung des Fermentationsverlaufs bei Expression eines rekombinanten Proteins durch E. coli befaßt sich die Arbeit „Genomic analysis of high- cell-density recombinant Escherichia coli fermentation and "cell conditioning" for improved recombinant protein yield" von R.T.Gill et al. (2001 ; Biotech. Bioeng., 72, S. 85-95). Hierin wird beschrieben, daß die Streß-Gene degP, uvrB, alpA, mltB, recA, ftsH, ibpA, aceA und groEL unter den genannten Bedingungen bei hoher Zelldichte gegenüber niedriger Zelldichte verstärkt exprimiert werden. Der Stärke der Reaktion nach gruppierten sie sich untereinander zu gewissen Clustern. Dies wurde über einen auf RT-PCR und DNA- Microarray beruhenden und durch Dot-blot-Analyse ergänzten Ansatz ermittelt, der auf Proben von zwei Zeitpunkten der Fermentation angewendet wurde, eben zu Beginn bei niedriger Zelldichte und gegen Ende bei hoher Zelldichte. Hieraus wurden „Cell Conditioning"-Ansätze entwickelt, um die Streß-Antwort der Zellen herabzusetzen.The work "Genomic analysis of high-cell-density recombinant Escherichia coli fermentation and cell conditioning for improved recombinant protein yield" by RTGill et al. (1989) deals with a further observation of the course of fermentation in the expression of a recombinant protein by E. coli. 2001, Biotech Bioeng., 72, pp. 85-95.) It is described herein that the stress genes are compared to degP, uvrB, alpA, mltB, recA, ftsH, ibpA, aceA and groEL under the conditions of high cell density By reaction intensity, they clustered among themselves into certain clusters, and this was determined by an RT-PCR and DNA microarray-based and dot-blot added approach, which was run on samples from two time points Fermentation was applied just at the beginning at low cell density and towards the end at high cell density, from which "cell conditioning" approaches were developed to assess the stress response to degrade the cells.
Grundsätzliche Unterschiede in den Expressionsmustern grampositiver Organismen gegenüber denen von gramnegativen Bakterien werden mit der Arbeit „Proteome and transcriptome based analysis of Bacillus suhtilis cells overproducing an insoluble heterologous protein" von Jürgen et al. (2001), Appl. Microbiol. Biotechnol., 55, S. 326- 332 aufgedeckt. Darin wird die Expression unter anderem der Gene dnaK, groEL, grpE, cIpP, clpC, clpX, rpsB und rplJ in S. subtilis beschrieben, wie sie über die DNA-macro- array-Technik, beziehungsweise über zweidimensionale Polyacrylgelelektrophorese ermittelt werden können. Hiernach werden in grampositiven zur Überexpression eingesetzten Bakterien die Gene für die Purin- und die Pyrimidin-Synthese sowie die bestimmter ribosomaler Proteine stärker exprimiert, als aufgrund der Erkenntnisse an gramnegativen Bakterien zu erwarten war. Ein weiterer Unterschied betrifft die Proteasen Lon und CIp.Fundamental differences in the expression patterns of Gram-positive organisms over those of Gram-negative bacteria are described in the work "Proteome and transcriptome based analysis of Bacillus suhtilis cells overproducing an insoluble heterologous protein" by Jürgen et al. (2001), Appl. Microbiol. Biotechnol., 55, Pp. 326-332, in which the expression is inter alia of the genes dnaK, groEL, grpE, cIpP, clpC, clpX, rpsB and rplJ in S. subtilis, as they can be determined by the DNA macroarray technique or by two-dimensional polyacrylic gel electrophoresis. According to this, the genes used for the purine and the pyrimidine synthesis as well as the specific ribosomal proteins are expressed more strongly in gram-positive bacteria used for overexpression than could be expected on the basis of the findings on Gram-negative bacteria. Another difference concerns the proteases Lon and CIp.
Einzelne dieser Gene oder sogar Nukleinsäure-bindende Chips mit einzelnen dieser Gene werden inzwischen in mehreren Publikationen offenbart oder zumindest die Möglichkeit ihrer Herstellung aufgezeigt. So offenbaren beispielsweise die beiden Patentanmeldungen DE 10136987 A1 und DE 10108841 A1 jeweils ein Gen aus Corynebacterium glutamicum, nämlich clpC beziehungsweise citB. Beide Gene werden als relevant für den Aminosäure-Stoffwechsel beschrieben, weshalb eine kommerziell interessante Nutzung dieser Gene darin bestehen soll, sie zu inaktivieren oder zumindest abzuschwächen, um die fermentative Herstellung von Aminosäuren durch diesen Mikroorganismus zu optimieren. Weitere Anwendungsmöglichkeiten können nach diesen Anmeldungen darin bestehen, Sonden für die betreffenden Gen-Produkte auf Nukleinsäure-bindenden Chips vorzulegen.Individual of these genes or even nucleic acid-binding chips with individual of these genes are now disclosed in several publications, or at least demonstrated the possibility of their production. For example, the two patent applications DE 10136987 A1 and DE 10108841 A1 each disclose a gene from Corynebacterium glutamicum, namely clpC or citB. Both genes are described as relevant to amino acid metabolism, which is why a commercially interesting use of these genes is to inactivate or at least mitigate them in order to optimize the fermentative production of amino acids by this microorganism. Further applications according to these applications may be to provide probes for the relevant gene products on nucleic acid-binding chips.
Auf der anderen Seite werden zunehmend mehr Genomdaten verschiedener Organismen publiziert, die eine solche Fülle von Sequenzdaten enthalten, daß hieraus eine repräsentative Auswahl wünschenswert erscheint. So offenbart die Patentanmeldung WO 02/055655 A2 mehr als 1.800 DNA-Sequenzen, die durch die vollständige Sequenzierung des Genoms des Mikroorganismus Methylococcus capsulatus ermittelt worden sind.On the other hand, more and more genome data from various organisms are published which contain such a wealth of sequence data that a representative selection appears desirable. Thus, the patent application WO 02/055655 A2 discloses more than 1,800 DNA sequences which have been determined by the complete sequencing of the genome of the microorganism Methylococcus capsulatus.
Inzwischen ist beispielsweise auch das komplette Genom des grampositiven Bacillus licheniformis sequenziert worden. Es wird in der Publikation „The Complete Genome Sequence of Bacillus licheniformis DSM13, an Organism with Great Industrial Potential" (2004) von 8. Veith et al. in J. Mol. Microbiol. Biotechnol., Band 7 (4), Seiten 204 bis 211 , beschrieben und ist zusätzlich unter dem Eintrag AE017333 (Basen 1 bis 4.222.645) in der Datenbank GenBank (National Center for Biotechnology Information NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA; http://www.ncbi.nlm.nih.gov; Stand 2.12.2004) zugänglich. Unter Verwendung der Technik optisch auswertbarer Chips ist es inzwischen sogar möglich, Nukleinsäure-bindende Chips herzustellen, die ein nahezu vollständiges Genom beziehungsweise das zugehörige Transkriptom abdecken (genomische DNA-Chips).In the meantime, for example, the entire genome of gram-positive Bacillus licheniformis has also been sequenced. It is described in the publication "The Complete Genome Sequence of Bacillus Licheniformis DSM13, to Organism with Great Industrial Potential" (2004) by 8. Veith et al., J. Mol. Microbiol. Biotechnol., Vol 7 (4), p to 211, and is additionally listed under entry AE017333 (bases 1 to 4.222.645) in the GenBank database (National Center for Biotechnology Information NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA, http: //www.ncbi. nlm.nih.gov, as of 2.12.2004). In the meantime, using the technology of optically analyzable chips, it is even possible to prepare nucleic acid-binding chips which cover an almost complete genome or the associated transcriptome (genomic DNA chips).
Mit der Anmeldung WO 2004/027092 A2 wird ein repräsentativer Querschnitt mit einer überschaubaren Anzahl von Genen zur Verfügung gestellt, um verschiedene physiologische Zustände, die ein beobachteter Mikroorganismus im Laufe der Kultivierung durchlaufen kann, zu identifizieren. Hierzu gehörten beispielsweise Hungerzustände gegenüber verschiedenen Nährstoffen oder Streßsituationen wie beispielsweise Hitze- oder Kälteschock, Scherstreß, oxidativer Streß oder Sauerstofflimitierung. Es handelt sich dabei um die folgenden Gene: acoA, ahpC, ahpF, citB, clpC, cIpP, codY, cspA, cspB, des, dnaK, eno, glnR, groEL, groL, gsiB, ibpA, ibpB, katA, katE, IctP, Idh, opuAB, phoA, phoD, pstS, purC, purN, pyrB, pyrP, sigB, tnrA, trxA und ydjF. Aus dieser Anmeldung gehen auch die zugehörigen DNA-Sequenzen aus B. subtilis, E. coli und/oder B. licheniformis hervor. Dadurch ist es möglich geworden, auch entsprechende Nukleinsäure-bindende Chips herzustellen, die bei der Überwachung eines auf Mikroorganismen, insbesondere grampositiven oder gramnegativen Bakterien beruhenden Bioprozesses Änderungen der diesen Prozeß kennzeichnenden Stoffwechselaktivitäten anzeigen.The application WO 2004/027092 A2 provides a representative cross-section with a manageable number of genes in order to identify various physiological states which an observed microorganism can undergo in the course of the cultivation. These included, for example, starvation of various nutrients or stress situations such as heat or cold shock, shear stress, oxidative stress or oxygen limitation. These are the following genes: acoA, ahpC, ahpF, citB, clpC, cIpP, codY, cspA, cspB, des, dnaK, eno, glnR, groEL, groL, gsiB, ibpA, ibpB, katA, katE, IctP , Idh, opuAB, phoA, phoD, pstS, purC, purN, pyrB, pyrP, sigB, tnrA, trxA and ydjF. The associated DNA sequences from B. subtilis, E. coli and / or B. licheniformis also emerge from this application. As a result, it has become possible to produce corresponding nucleic acid-binding chips which, when monitoring a bioprocess based on microorganisms, in particular Gram-positive or Gram-negative bacteria, indicate changes in the metabolic activities characterizing this process.
Nukleinsäure-bindende Chips, die auf dieser Auswahl von Genen beruhen, liefern einen gewissen, insgesamt aber eher nur groben Überblick über die jeweilige Stoffwechselsituation. Sie vermögen in der Regel nicht, ein einzelnes Teilproblem besonders zu beleuchten; allerdings kann sich ein einzelnes positives Signal aus verschiedenen Situationen heraus ergeben oder auch nur falsch-positiv sein, weshalb es oft - und insbesondere in einer solchen unklaren Situation - sinnvoll ist, einen ausgewählten Stoffwechselaspekt separat zu analysieren. Andererseits ist gerade bei elektrisch auslesbaren Nukleinsäure-bindenden Chips, welche den Vorteil einer zeitnahen Analyse besitzen, die Zahl der gleichzeitig belegbaren Plätze begrenzt, so daß zur Erfassung zusätzlicher, spezieller Stoffwechselsituationen nicht einfach zusätzliche Gensonden aufgebracht werden können.Nucleic acid-binding chips, which are based on this selection of genes, provide a certain, but rather rough, overview of the respective metabolic situation. As a rule, they are unable to shed light on a single subproblem; however, a single positive signal may result from different situations or even be false-positive, which is why it often makes sense - and especially in such an unclear situation - to analyze a selected metabolic aspect separately. On the other hand, especially in the case of electrically readable nucleic acid-binding chips, which have the advantage of a timely analysis, the number of simultaneously assignable sites is limited, so that additional gene probes can not simply be applied to detect additional, specific metabolic situations.
Gewisse Stoffwechselsituationen und darunter sogar Mangelzustände werden in der Biotechnologie ausgenutzt. So offenbart die Anmeldung DE 10012283 A1 eine Nutzanwendung der Induzierbarkeit von Genen durch Phosphatmangel. In der darin beschriebenen Untersuchung werden die Promotoren der Gene pstS, phoD, phoB oder glpQ aus ß. suhtilis zur Regulation von Transgenen verwendet, die für die heterologe Genexpression durch grampositive Wirtsbakterien aktiviert werden sollen. Hierfür muß gleichzeitig das PhoP-PhoR-Regulationssystem aus 6. subtilis zur Verfügung gestellt werden, um die betreffenden Promotoren zu aktivieren. Dieser Anmeldung zufolge soll ein Phosphatmangel künstlich herbeigeführt werden, um über PhoP und PhoR zu einer Induktion des jeweils gewählten Promotors zu gelangen. Es wird also nicht davon ausgegangen, daß zelleigene Regulationssysteme die künstlich eingeführten Promotoren der B. subtilis Gene pstS, phoD, phoB und glpQ zu induzieren vermögen. So ist beispielsweise aus anderen Untersuchungen (hier nicht gezeigt) bekannt, daß die pho- Gene in B. licheniformis anders organisert, das heißt auch anders reguliert sind.Certain metabolic situations and even deficiencies are exploited in biotechnology. Thus, the application DE 10012283 A1 discloses a useful application of the inducibility of genes by phosphate deficiency. In that the promoters of the genes pstS, phoD, phoB or glpQ from ß. suhtilis is used to regulate transgenes to be activated for heterologous gene expression by gram-positive host bacteria. For this purpose, the PhoP PhoR regulation system from 6. subtilis must be made available at the same time in order to activate the relevant promoters. According to this application, a phosphate deficiency should be artificially induced in order to achieve via PhoP and PhoR to induce the chosen promoter. It is therefore not assumed that cell-specific regulatory systems are able to induce the artificially introduced promoters of B. subtilis genes pstS, phoD, phoB and glpQ. For example, it is known from other studies (not shown here) that the pho genes in B. licheniformis organizes differently, that is also regulated differently.
Allerdings ist es im Laufe eines Bioprozesses wie oben erläutert zumeist nicht erwünscht, die Zellen einer Streßsituation auszusetzen. Denn insbesondere Phosphatmangel ist eine Stoffwechselsituation, die für Mikroorganismen kritisch und somit für einen entsprechenden Bioprozeß limitierend sein kann.However, in the course of a bioprocess, as explained above, it is usually not desirable to expose the cells to a stress situation. In particular, phosphate deficiency is a metabolic situation that can be critical for microorganisms and thus limiting for a corresponding bioprocess.
Somit besteht ein besonderer Bedarf, diesbezüglich eine Chip-basierte, zeitnahe Analyse durchzuführen und aufgrund des hierdurch rasch zu erhaltenden Ergebnisses punktuell und damit noch zielgerichteter in den laufenden Bioprozeß eingreifen zu können. Dadurch wird einem Verlust an Ausbeute vorgesorgt, der sich durch einen nicht oder zu spät erkannten Phosphat-Engpaß ergeben würde.Thus, there is a particular need to perform in this regard, a chip-based, timely analysis and to be able to intervene punctually and thus more targeted in the ongoing bioprocess due to the result to be obtained quickly. This provides for a loss of yield that would result from a short or late recognized phosphate bottleneck.
Im Stand der Technik sind weitere/andere Gene beschrieben, die bei Phosphatmangel verstärkt exprimiert werden, wenn auch nicht in allen für die Biotechnologie relevanten Mikroorganismen gleichermaßen. So behandelt die Publikation von Ishige et al. in J. Bacteriol., Band 185 (Nr. 15), Seiten 4519 bis 4529, eine DNA-Microarray-Analyse der durch Phosphatmangel aktivierten Gene (des „Phosphat-Stimulons") bei Corynebacterium glutamicum. In dieser Untersuchung wird der Reiz dadurch ausgelöst, daß von Orthophosphat als einziger Phosphatquelle in einen Phosphatmangelzustand übergegangen wird. Hierdurch werden in Übereinstimmung mit den Daten zu anderen Mikroorganismen einige Gene deutlich induziert, die in einem Zusammenhang mit dem Phosphatstoffwechsel stehen. Die Induktion weiterer Gene wird dagegen nur auf bloße Wachstumseffekte zurückgeführt. Ferner wurde beobachtet, daß von den bekannten Genen des Phosphatstoffwechsels nicht alle sondern nur einzelne induziert werden. Umgekehrt werden manche Proteine verstärkt gebildet, deren Homologe in anderen Mikroorganismen nicht auf diesen Reiz hin verstärkt exprimiert werden, beispielsweise eine Nukleotidase, deren Homolog bei E. coli ein unverändertes Expressionsniveau aufweist, und ein Ferritin-ähnliches Proteins sowie eine wahrscheinliche extrazelluläre Nuclease NucH, deren Expressionsniveaus beispielsweise bei ß. licheniformis nicht signifikant erhöht sind (Daten nicht gezeigt).The prior art describes further / other genes which are expressed to a greater extent in the case of phosphate deficiency, albeit not equally in all microorganisms relevant for biotechnology. Thus, the publication by Ishige et al. Volume Bacteriol., Vol. 185 (No. 15), pages 4519 to 4529, shows a DNA microarray analysis of the phosphate-deficient genes (the "phosphate stimulant") in Corynebacterium glutamicum, in which stimulus is elicited that orthophosphate is the only source of phosphate to change to a phosphate deficient state, which, in agreement with the data on other microorganisms, clearly induces some genes that are related to phosphate metabolism, whereas the induction of other genes is attributed to mere growth effects It was observed that not all of the known genes of the phosphate metabolism but only individual ones are induced. Conversely, some proteins whose homologues are not expressed to a greater extent in other microorganisms, for example a nucleotidase whose homologue has an unchanged expression level in E. coli, and a ferritin-like protein and a probable extracellular nuclease NucH, whose Expression levels, for example, at ß. licheniformis are not significantly elevated (data not shown).
Die Publikation von Antelmann et al. in J. Bacteriol., Band 182 (Nr. 16), S. 4478 bis 4490 untersucht die durch Phosphatmangel bei B. subtilis induzierbaren Proteine auf Proteom- und Transkriptom-Ebene mit Hilfe zweidimensionaler Gelelektrophorese; die Micro-Array- Technolgie wird hierin lediglich als eine in gewisser Hinsicht möglicherweise ergänzende Technologie angesprochen. Abbildung 4 offenbart insgesamt zehn Proteine, die in diesem Organismus auf einen Phosphatmangel-Reiz hin verstärkt gebildet werden. Die stärksten Signale sind die von GIpQ, PhoD und PstS, gefolgt von PhoB und PeI. Demgegenüber ergaben eigene Untersuchungen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung, daß glpQ und pel in B. licheniformis bei Phosphatmangel nur unwesentlich überexprimiert werden. Stattdessen lieferte in B. licheniformis beispielsweise das Gen für die Phytase (siehe Beispiele) ein überraschend starkes Signal, was in B. subtilis nicht der Fall ist.The publication by Antelmann et al. in J. Bacteriol., Vol. 182 (No. 16), pp. 4478 to 4490 examines the proteins inducible by B. subtilis phosphate deficiency at the proteome and transcriptome level using two-dimensional gel electrophoresis; Micro-array technology is referred to herein merely as a potentially complementary technology. Figure 4 reveals a total of ten proteins which are increasingly produced in this organism on a phosphate-deficient stimulus. The strongest signals are those of GIpQ, PhoD and PstS, followed by PhoB and PeI. In contrast, our own investigations in connection with the present application showed that glpQ and pel are only marginally overexpressed in B. licheniformis in the case of phosphate deficiency. Instead, in B. licheniformis, for example, the gene for the phytase (see examples) gave a surprisingly strong signal, which is not the case in B. subtilis.
Bei der Überlegung, zur Überwachung von Bioprozessen geeignete RNA-erkennende Chips zu entwerfen, bestehen also mehrere grundsätzliche Schwierigkeiten. Zum einen stellt sich bei jedem Gen die Frage der Übertragbarkeit auf andere Organismen: Es müssen Gene ausgewählt werden, die in möglichst vielen für derartige Bioprozesse relevanten Mikroorganismen deutliche Signale liefern. Zum anderen stellt sich die Frage der Spezifität: die starken Signale müssen auch möglichst eindeutig der betreffenden Stoffwechselsituation zuordenbar sein. Solche Signale, die auf mehrere verschiedene Stoffwechselsituationen ansprechen und/oder allgemeine Streßsignale darstellen, sollten möglichst weitgehend ausgeschlossen werden.Therefore, there are a number of fundamental difficulties in designing RNA RNA-detecting chips to monitor bioprocesses. On the one hand, the question of transferability to other organisms arises with each gene: It must be selected genes that provide clear signals in as many microorganisms relevant for such bioprocesses. On the other hand, there is the question of specificity: the strong signals must also be as clearly as possible attributable to the metabolic situation concerned. Such signals, which respond to several different metabolic situations and / or represent general stress signals, should be excluded as much as possible.
Der für die vorliegende Erfindung gewählte Lösungsansatz besteht darin, eine möglichst repräsentative Auswahl einer ganzen Reihe von Genen zu treffen, wobei meist nicht alle, erfindungsgemäß aber mehrere Sonden bei dem jeweils beobachteten Organismus Signale ergeben. Zum anderen sollten solche Gene ausgeschlossen werden, die in anderen Stoffwechselsituationen als in der des Phosphatmangels ebenfalls starke oder sogar noch stärkere Signale ergeben. Für die vorliegende Erfindung stellte sich somit die Aufgabe, Gene zu identifizieren, die bei Organismen, insbesondere Mikroorganismen möglichst eindeutig mit dem Streß- Signal des Phosphatmangels in Verbindung gebracht werden können. Ziel war es, Sonden für diese Gene zu entwickeln, um sie für die Überwachung entsprechender Bioprozesse einsetzen zu können.The approach chosen for the present invention is to make as representative as possible a selection of a whole series of genes, wherein not all, according to the invention but several probes in the respective observed organism signals. On the other hand, those genes should be excluded which also give strong or even stronger signals in other metabolic situations than in the phosphate deficiency. For the present invention, therefore, the task was to identify genes that can be brought as clearly as possible in organisms, in particular microorganisms with the stress signal of phosphate deficiency in combination. The aim was to develop probes for these genes in order to be able to use them for the monitoring of corresponding bioprocesses.
Damit sollte es möglich sein, Nukleinsäure-bindende Chips mit Gensonden für einzelne oder mehrere dieser Gene zu belegen und hierdurch zu Nukleinsäure-bindenden Chips zu gelangen, die im Verlaufe eines überwachten Bioprozesses zuverlässig das Signal „Phosphatmangel" anzeigen (Phosphatmangel-Sensoren). Diese Aufgabe stellte sich insbesondere für solche Nukleinsäure-bindenden Chips, deren Anzahl an belegbaren Plätzen aufgrund ihrer Bauart vergleichsweise gering ist, insbesondere die elektrisch auswertbaren. Denn diese weisen andererseits die Vorteile einer raschen Auslesbarkeit auf und ermöglichen damit eine /tf-//ne-Analyse. Dies gewährleistet ein gegebenenfalls frühzeitiges Eingreifen, um den betreffenden Bioprozeß hinsichtlich der Phosphatversorgung zu optimieren.This should make it possible to prove nucleic acid-binding chips with gene probes for single or several of these genes and thereby to obtain nucleic acid-binding chips which reliably indicate the signal "phosphate deficiency" in the course of a monitored bioprocess (phosphate deficiency sensors) The problem arose in particular for such nucleic acid-binding chips, whose number of assignable sites is comparatively low due to their design, in particular the electrically evaluable ones, because on the other hand they have the advantages of rapid readability and thus enable a / ct analysis This ensures an early intervention, if necessary, in order to optimize the bioprocess concerned with regard to the phosphate supply.
Solch ein DNA-bindender Chip sollte für mehrere miteinander vergleichbare Prozesse einsetzbar und mit vergleichsweise geringfügigen Variationen an spezifische Einsatzmöglichkeiten anzupassen sein. Vorzugsweise sollte er auf Bioprozesse auf der Grundlage von Bacillus-Spezies, insbesondere B. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. lentus, B. globigii, und ganz besonders auf B. licheniformis ausgerichtet sein. Unter Bioprozessen standen Fermentationen, insbesondere die technische Herstellung von Produkten, ganz besonders von überexprimierten Proteinen im Vordergrund.Such a DNA-binding chip should be usable for several comparable processes and be adapted to specific applications with comparatively minor variations. Preferably, it should be directed to bioprocesses based on Bacillus species, especially B.subtilis, B. amyloliquefaciens, B. lentus, B. globigii, and more particularly B. licheniformis. Bioprocesses focused on fermentations, in particular the technical production of products, especially overexpressed proteins.
Ferner sollte solch ein Phosphatmangel-Sensor entsprechende Verfahren zur Messung des physiologischen Zustande der betrachteten Zellen sowie entsprechende Verwendungsmöglichkeiten zur Überwachung der betrachteten biologischen Prozesse ermöglichen.Furthermore, such a phosphate-deficient sensor should enable appropriate methods for measuring the physiological state of the cells considered as well as corresponding possibilities of use for monitoring the considered biological processes.
Zur Lösung dieser Aufgabe wurde eine Vielzahl von Genen aus dem biotechnologisch wichtigen Bakterium B. licheniformis hinsichtlich ihrer Aktivierbarkeit durch den Übergang der betreffenden Kultur in einen Phosphatmangelzustand untersucht (Beispiel 1). Dabei wurde überraschenderweise festgestellt, daß bei weitem nicht alle Gene, die am Phosphatstoffwechsel beteiligt sind, ein diesbezüglich eindeutiges Signal liefern. Zusätzlich wurde - ebenso überraschend - eine Aktivierung von solchen Genen beobachtet, die zuvor nicht ohne weiteres mit dem Phophsphatstoffwechsel in Verbindung gebracht worden sind, beispielsweise Sporulationsgenen; diese sollen nun unabhängig von ihrer bislang bekannten Funktion erfindungsgemäß ebenfalls als Phosphatstoffwechselgene angesehen werden. Beides belegt Beispiel 2 der vorliegenden Anmeldung. Dabei wurden sehr unterschiedlich starke Induktionen beobachtet. Der Lehre der vorliegenden Erfindung zufolge sollen Gene umso mehr als Indikatoren geeignet sein, je stärker diese Antwort ausfällt. Erfindungsgemäß werden deshalb solche Gene als Phosphatmangel-Indikatoren ausgewählt, die ein deutliches, signifikant über einem bestimmten Schwellenwert liegendes Signal ergeben. Je weiter das Ergebnis darüber liegt, desto mehr sind sie erfindungsgemäß bevorzugt, womit sich eine entsprechende Staffelung hinsichtlich bevorzugter Erfindungsaspekte erklärt. Gleichzeitig wurden solche Gene wieder herausgenommen, die in anderen Situationen als in der des Phosphatmangels ebenfalls starke oder sogar noch stärkere Signale ergeben haben (Daten nicht gezeigt).To solve this problem, a large number of genes from the biotechnologically important B. licheniformis bacterium were investigated with regard to their activability by the transition of the relevant culture into a phosphate deficient state (Example 1). It was surprisingly found that by far not all genes on the Phosphate metabolism involved, provide a clear signal in this regard. In addition, it has also been observed, as surprisingly, activation of such genes which have not previously been readily associated with phosphatase metabolism, for example sporulation genes; irrespective of their previously known function, these should now also be considered according to the invention as phosphate metabolism genes. Both documents Example 2 of the present application. Very different degrees of induction were observed. According to the teachings of the present invention, genes should be all the more suitable as indicators the stronger this response is. According to the invention, therefore, such genes are selected as phosphate deficiency indicators, which give a clear, significantly above a certain threshold signal lying. The further the result is, the more they are preferred according to the invention, which explains a corresponding staggering with regard to preferred aspects of the invention. At the same time, those genes have been removed that have also produced strong or even stronger signals in situations other than phosphate deficiency (data not shown).
Tabelle 1 zeigt alle in Beispiel 1 ermittelten 235 Gene von Bacillus licheniformis DSM13, deren Induzierung unter Phosphatmangel beobachtet wurde, wobei ein Faktor von mindestens drei als signifikant angesehen wurde. Hiervon sind in Tabelle 2 alle 47 Gene zusammengestellt, deren Induzierung durch Phosphatmangel zu irgendeinem der gemessenen Zeitpunkte mindestens den Faktor 10 betragen hat und bei denen aus parallelen, hier nicht gezeigten Untersuchungen geschlossen werden konnte, daß sie vergleichsweise spezifisch für dieses Signal waren. Diese sind in Tabelle 3 noch einmal hinsichtlich der Stärke ihrer beobachteten maximalen Induktion aufgelistet. Ihre DNA- und Aminosäuresequenzen werden im Sequenzprotokoll zur vorliegenden Anmeldung aufgeführt, wobei die ungeradzahligen Nummern für DNA- und die nachfolgenden geradzahligen für die jeweils abgeleiteten Aminosäuresequenzen stehen. Auf diese Sequenzen verweisen auch die jeweiligen SEQ ID-Nummern in den Tabellen 2 und 3. Dabei handelt es sich um folgende Gene, in der Reihenfolge abnehmender Stärke der durch Phosphatmangel ausgelösten Induktion (vergleiche Tabelle 2 und 3):Table 1 shows all of the 235 genes of Bacillus licheniformis DSM13 determined in Example 1 whose induction was observed under phosphate deficiency, with a factor of at least three being considered significant. Of these, all 47 genes are compiled in Table 2 whose induction by phosphate deficiency at least amounted to at least the factor 10 at any of the measured times and in which parallel examinations, not shown here, could conclude that they were comparatively specific for this signal. These are listed again in Table 3 for the magnitude of their observed maximum induction. Their DNA and amino acid sequences are listed in the Sequence Listing of the present application, wherein the odd-numbered numbers represent DNA and the subsequent even-numbered for the respective deduced amino acid sequences. These sequences are also referred to the respective SEQ ID Nos. In Tables 2 and 3. These are the following genes, in the order of decreasing strength of the phosphate-induced induction (see Tables 2 and 3):
- yvmC (Ähnliches zu Proteinen unbekannter Funktion; SEQ ID NO. 75, 76);- yvmC (similar to proteins of unknown function; SEQ ID NOs 75, 76);
- yvnA (Ähnliches zu Proteinen aus S. subtilis; SEQ ID NO. 77, 78);yvnA (similar to proteins from S. subtilis; SEQ ID NO: 77, 78);
- phoB (Alkalische Phosphatase III; SEQ ID NO. 21 , 22);phoB (Alkaline Phosphatase III; SEQ ID Nos. 21, 22);
- pstS (Phosphat-ABC-Transporter / Bindungsprotein; SEQ ID NO. 47, 48); - phoD (Phosphodiesterase / Alkalische Phosphatase; SEQ ID NO. 23, 24);pstS (phosphate ABC transporter / binding protein; SEQ ID NO: 47, 48); phoD (phosphodiesterase / alkaline phosphatase; SEQ ID NO: 23, 24);
- alsS (Alpha-Acetolactat-Synthase; SEQ ID NO. 29, 30);as als (alpha-acetolactate synthase; SEQ ID NO: 29, 30);
- cypX (Cytochrom-P450-ähnliches Enzym; SEQ ID NO. 3, 4);cypX (cytochrome P450-like enzyme; SEQ ID NO: 3, 4);
- phy (Phytase; SEQ ID NO. 33, 34);phy (phytase; SEQ ID NOs 33, 34);
- Gen für eine vermutliche Phosphatase (SEQ ID NO. 61 , 62);Gene for a putative phosphatase (SEQ ID Nos. 61, 62);
- Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; SEQ ID NO. 17, 18);Homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; SEQ ID Nos. 17, 18);
- pstBA (Phosphat-ABC-Transporter PstBA; SEQ ID NO. 87, 88);pstBA (phosphate ABC transporter PstBA; SEQ ID NO: 87, 88);
- yfmQ (unbekannte Funktion; SEQ ID NO. 69, 70);yfmQ (unknown function, SEQ ID NOs: 69, 70);
- pstC (Phosphat-ABC-Transporter / Permease; SEQ ID NO. 91 , 92);pstC (phosphate ABC transporter / permease; SEQ ID NO: 91, 92);
- yfkN (Ähnliches zur 2',3'-Cyclo-Nucleotid-2'-Phosphodiesterase; SEQ ID NO. 11 , 12);yfkN (similar to 2 ', 3'-cyclo-nucleotide-2'-phosphodiesterase; SEQ ID NO: 11, 12);
- gdh (Glucose-1 -Dehydrogenase; SEQ ID NO. 31 , 32);gdh (glucose-1-dehydrogenase; SEQ ID Nos. 31, 32);
- alsD (Alpha-Acetolactat-Decarboxylase; SEQ ID NO. 27, 28);as D (alpha-acetolactate decarboxylase; SEQ ID NO: 27, 28);
- spolllAF (Sporulationsfaktor III AF; SEQ ID NO. 79, 80);spolllAF (sporulation factor III AF, SEQ ID NO: 79, 80);
- spollAB (Anti-sigma-F-Factor / Phase-Il-Sporulationsprotein AB; SEQ ID NO. 37, 38);spoll AB (anti-sigma F factor / phase II sporulation protein AB, SEQ ID Nos. 37, 38);
- yfkH (Ähnliches zu Proteinen; SEQ ID NO. 67, 68);yfkH (similar to proteins; SEQ ID NOs: 67, 68);
- MpG (Klasse-Ill-Hitzeschockprotein; SEQ ID NO. 1 , 2);MpG (Class III heat shock protein; SEQ ID Nos. 1, 2);
- Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (SEQ ID NO. 57, 58);Gene for a putative decarboxylase / dehydratase (SEQ ID NO 57, 58);
- yrbE (Ähnliches zur Dehydrogenase; SEQ ID NO. 9, 10);yrbE (similar to dehydrogenase; SEQ ID Nos. 9, 10);
- dhaS (Aldehyd-Dehydrogenase; SEQ ID NO. 19, 20);dhaS (aldehyde dehydrogenase; SEQ ID NO 19, 20);
- Gen für eine vermutliche Ribonuclease (SEQ ID NO. 93, 94);Gene for a putative ribonuclease (SEQ ID Nos. 93, 94);
- yvmA (Ähnliches zu einem Multidrug-Transporter; SEQ ID NO. 51 , 52);yvmA (similar to a multidrug transporter; SEQ ID NOs: 51, 52);
- spolllAG (Sporulationsfaktor III AG; SEQ ID NO. 81 , 82);spollLAG (sporulation factor III AG, SEQ ID NOs 81, 82);
- spollQ (Sporulationsfaktor Il Q; SEQ ID NO. 43, 44);spollQ (sporulation factor IIQ, SEQ ID NO 43, 44);
- Gen für ein hypothetisches Protein (SEQ ID NO. 63, 64);Gene for a hypothetical protein (SEQ ID NOs 63, 64);
- spolllAH (Sporulationsfaktor III AH; SEQ ID NO. 83, 84);spolllAH (sporulation factor III AH, SEQ ID NOs 83, 84);
- pstBB (Phosphat-ABC-Transporter / ATP-Bindungsprotein; SEQ ID NO. 89, 90);pstBB (phosphate ABC transporter / ATP binding protein; SEQ ID NO: 89, 90);
- Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (SEQ ID NO. 49, 50);Gene for a putative benzoate transport protein (SEQ ID Nos. 49, 50);
- yhbE (Ähnliches zu Proteinen aus B. suhtilis; SEQ ID NO. 73, 74);yhbE (similar to proteins from B. suhtilis; SEQ ID NO: 73, 74);
- Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (SEQ ID NO. 55, 56);Gene for a putative aromatic-specific dioxygenase (SEQ ID Nos. 55, 56);
- spoVID (Sporulationsfaktor VI D; SEQ ID NO. 45, 46);spoVID (sporulation factor VI D, SEQ ID Nos. 45, 46);
- yurl (Ähnliches zur Ribonuclease; SEQ ID NO. 15, 16); - Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (SEQ ID NO. 59, 60);yur1 (similar to ribonuclease; SEQ ID NO: 15, 16); A conserved hypothetical protein gene (SEQ ID NOs: 59, 60);
- cotE (äußeres Sporenhüllprotein; SEQ ID NO. 39, 40);cotE (outer spore envelope protein; SEQ ID Nos. 39, 40);
- yhbD (Ähnliches zu Proteinen aus B. subtilis; SEQ ID NO. 71 , 72);yhbD (similar to proteins from B.subtilis; SEQ ID NOs 71, 72);
- Gen für ein hypothetisches Protein (SEQ ID NO. 65, 66);Gene for a hypothetical protein (SEQ ID NO 65, 66);
- spollAA (Anti-Sigma F-Faktor-Antagonist / Phase-Il-Sporulationsprotein AA; SEQ ID NO. 35, 36);spollAA (anti-sigma F-factor antagonist / phase II sporulation protein AA, SEQ ID NOs 35, 36);
- pstA (Phosphat-ABC-Transporter / Permease; SEQ ID NO. 85, 86);pstA (phosphate ABC transporter / permease; SEQ ID NO: 85, 86);
- nasE (Untereinheit der Assimilatorischen Nitritreductase; SEQ ID NO. 7, 8);- nasE (Assimilatory Nitrite Reductase subunit; SEQ ID Nos. 7, 8);
- spolIGA (Sporulationsfaktor Il GA; SEQ ID NO. 41 , 42);spolIGA (sporulation factor II GA, SEQ ID NO: 41, 42);
- Gen für eine vermutliche Acetoin-Reductase (SEQ ID NO. 53, 54);Gene for a putative acetoin reductase (SEQ ID Nos. 53, 54);
- ctaC (Cytochrom-CAAS-Oxidase / Untereinheit II; SEQ ID NO. 5, 6);ctaC (cytochrome CAAS oxidase / subunit II; SEQ ID NO: 5, 6);
- tatCD (Komponente des Twin-Arginin-Translokations-Wegs; SEQ ID NO. 25, 26);tatCD (component of the twin arginine translocation pathway, SEQ ID NOs 25, 26);
- yhcR (Ähnliches zur δ'-Nucleotidase; SEQ ID NO. 13, 14).yhcR (similar to δ 'nucleotidase; SEQ ID NO 13, 14).
Eine Lösung der gestellten Aufgabe besteht in einem Nukleinsäure-bindenden Chip, dotiert mit Sonden für mindestens drei der folgenden 47 Gene: yhcR, tatCD, ctaC, Gen für eine vermutliche Acetoin-Reductase (Homolog zu SEQ ID NO. 53), spolIGA, nasE, pstA, spollAA, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, wobei die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel-spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100 liegt.A solution to the problem consists of a nucleic acid-binding chip doped with probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a presumptive acetoin reductase (homolog to SEQ ID NO. 53), spolIGA, nasE , pstA, spollAA, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, conserved hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, presumptive aromatic gene specific dioxygenase (homologue to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homologue to SEQ ID NO 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homolog to SEQ ID NO. 17), gene for a putative phosphatase (homologue to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, where the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100.
Detaillierte Informationen zu diesen Genen gehen aus den Beispielen 1 bis 3 und den Tabellen 1 bis 3 der vorliegenden Anmeldung hervor. Im Sequenzprotokoll werden diese Gene offenbart, wie sie aus B. licheniformis DSM 13 erhältlich sind. Die meisten davon sind auch aus anderen Spezies beschrieben (s.u.). Bei einigen handelt es sich jedoch um putative (angenommene; vermutliche) Gene oder um Gene, die für putative (angenommene; vermutliche) Enzyme codieren. Diese werden erfindungsgemäß soweit wie möglich aufgrund von Datenbankvergleichen als solche mit einer angenommenen Funktion und zusätzlich als Homologe zu den gefundenen B. licheniformis-Genen definiert. Hierzu muß zweierlei erläutert werden:Detailed information on these genes can be found in Examples 1 to 3 and Tables 1 to 3 of the present application. In the Sequence Listing, these genes are disclosed as obtainable from B. licheniformis DSM 13. Most of them are also described from other species (see below). However, some are putative (presumed) genes or genes that are putative Encoding (presumed) putative enzymes. According to the invention, these are defined as far as possible on the basis of database comparisons as having an assumed function and additionally as homologues to the B. licheniformis genes found. For this purpose, two things have to be explained:
- Zum einen könnte sich bei dem einen oder anderen durch eine biochemische Analyse herausstellen, daß diese putative Funktion nicht mit der wirklichen Funktion übereinstimmt. Dann wird nicht an der putativen Funktion festgehalten. Vielmehr stellen diese Erkenntnisse die Erfindung insofern nicht in Frage, als es erfindungsgemäß lediglich auf die Beobachtung der verstärkten Transkription im Zusammenhang mit dem Phosphatmangel ankommt, so daß die betreffende Genaktivität unabhängig von der letztlich ausgeübten Enzymaktivität durchaus als Indikator für Phosphatmangel dienen kann.- First, it could turn out for one or another by a biochemical analysis that this putative function does not match the real function. Then one does not stick to the putative function. On the contrary, these findings do not call into question the invention insofar as according to the invention only the observation of the increased transcription in connection with the phosphate deficiency arrives, so that the gene activity in question can definitely serve as an indicator of phosphate deficiency, irrespective of the ultimate enzyme activity.
- Zum anderen ließ sich für diese in Ermangelung eines Gennamens keine passendere Definition als die über das Gen selbst finden. Deshalb wird von Homologen gesprochen. So ist anzunehmen, daß in anderen Spezies als ß. licheniformis unter Phosphatmangel die homologen Gene aktiviert werden. Sollte sich herausstellen, daß in einer betrachteten Spezies zu einem dieser Gene mehrere Homologe existieren, die in vivo zur Transkriptbildung befähigt sind, so bezieht sich die Angabe „Homolog zu SEQ ID NO. ..." auf das jeweils nächstähnliche dieser verschiedenen in Frage kommenden Gene.On the other hand, in the absence of a gene, no more suitable definition could be found for them than that about the gene itself. That is why homologues are spoken. So it can be assumed that in other species than ß. licheniformis under phosphate deficiency the homologous genes are activated. If it turns out that in one species considered to one of these genes several homologs exist, which are capable of transcript formation in vivo, the term "homolog to SEQ ID NO. ... "to the nearest similar of these various candidate genes.
Erfindungsgemäß werden mindestens drei dieser Gene ausgewählt, um eine möglichst zuverlässige Aussage zu erhalten, das heißt um ein einzelnes, auf nur einen Sondentyp zurückzuführendes falsch-positives Signal auszuschließen.According to the invention, at least three of these genes are selected in order to obtain as reliable a statement as possible, that is, to exclude a single false-positive signal due to only one type of probe.
Unter einem Nukleinsäure-bindenden Chip sind erfindungsgemäß alle Gegenstände zu verstehen, die mit Nukleinsäure-spezifischen Sonden versehen sind und bei Bindung einer oder mehrerer spezifisch erkannter Nukleinsäuren jeweils ein auswertbares Signal liefern.According to the invention, a nucleic acid-binding chip means all objects which are provided with nucleic acid-specific probes and in each case deliver an evaluable signal upon binding of one or more specifically recognized nucleic acids.
Aus dem einleitend dargestellten Stand der Technik ist die Gestaltung von Chips bekannt, die mit Nukleinsäuren als Sonden dotiert sind. Prinzipiell können sie alle für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung genutzt werden. Sie basieren auf dem Prinzip der Nukleinsäure-Hybridisierung der zu detektierenden mRNA (oder einem hiervon abgeleiteten Molekül) mit der auf dem Chip vorgelegten Sonde. Je nach System zur Auswertung des durch die Hybridisierung ausgelösten Signals wird zwischen Chips mit einem optischen und mit einem elektrischen Analysesystem unterschieden. Erfindungsgemäß sind prinzipiell beide Systeme anwendbar.From the prior art presented in the introduction, the design of chips doped with nucleic acids as probes is known. In principle, they can all be used for embodiments of the present invention. They are based on the principle of nucleic acid hybridization of the mRNA to be detected (or a molecule derived therefrom) with the probe presented on the chip. Depending on the system for evaluating the triggered by the hybridization signal is between chips with an optical and distinguished with an electrical analysis system. In principle, both systems are applicable according to the invention.
Solche Chips werden folgendermaßen zur Kontrolle (Monitoring) des jeweils betrachteten Bioprozesses eingesetzt: Aus dem Prozeß wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Probe mit dem zu analysierenden biologischem Material entnommen. Aus diesem wird, nach an sich bekannten Methoden, beispielsweise unter Zellaufschluß und Verwendung einen denaturierenden Puffers RNA, insbesondere mRNA isoliert. Diese wird selbst markiert oder als Ausgangsmolekül für ein in die Messung eingebrachtes Molekül eingesetzt (zum Beispiel durch reverse Transkription erhaltene cDNA) und die erhaltenen Moleküle vorteilhafterweise in einem Puffer über/durch den Chip geleitet. Bei Hybridisierung (Sandwich-Markierung) einer präparierten RNA beziehungsweise deren Derivat mit der homologen (das heißt hinsichtlich ihrer Sequenz kongruenten) auf dem Chip bereitgestellten Sonde (Target-Nukleinsäure, beispielsweise Target-DNA oder Target-Nukleinsäureanalog) ergibt sich ein entsprechendes optisch oder elektronisch auswertbares Signal. Dieses beruht beispielsweise auf der Markierung der bindenden mRNA oder einem Transkript davon mit einem Färb- oder Fluoreszenzmarker, einer Hybridisierung mit einer zweiten Sonde oder auf einer sekundären Nachweisreaktion, etwa über eine RT-PCR.Such chips are used as follows for monitoring (monitoring) of the particular bioprocess under consideration: From the process, a sample with the biological material to be analyzed is taken out at a certain point in time. From this, according to methods known per se, for example by cell disruption and use of a denaturing buffer RNA, in particular mRNA isolated. This is itself labeled or used as the starting molecule for a molecule introduced into the measurement (for example cDNA obtained by reverse transcription) and the resulting molecules are advantageously passed over / through the chip in a buffer. Upon hybridization (sandwich labeling) of a prepared RNA or its derivative with the homologous (congruent with respect to their sequence) provided on the chip probe (target nucleic acid, for example, target DNA or target nucleic acid analogue) results in a corresponding optically or electronically evaluable signal. This is based for example on the labeling of the binding mRNA or a transcript thereof with a staining or fluorescence marker, a hybridization with a second probe or on a secondary detection reaction, for example via an RT-PCR.
Da von derselben Sonde in der Regel jeweils mehrere Moleküle an den Chip gebunden sind, ist die Stärke des Hybridisierungssignal über einen gewissen - im Einzelfall gegebenenfalls zu optimierenden - Bereich proportional zur Zahl der zum Zeitpunkt der Probennahme in der Probe vorhandenen spezifischen mRNA. Auf diese Weise ist die Stärke des Signals ein direktes Maß für die Aktivität des betreffenden Gens zu dem Zeitpunkt der Probennahme.Since in each case several molecules are bound to the chip by the same probe in general, the strength of the hybridization signal over a certain - in individual cases optionally to be optimized - range is proportional to the number of specific at the time of sampling in the sample specific mRNA. In this way, the strength of the signal is a direct measure of the activity of the gene in question at the time of sampling.
Die Zeitspanne zwischen Probennahme und Messung sollte dabei so kurz wie möglich gehalten werden, beispielsweise über eine weitgehend automatisierte Probennahme, deren Aufarbeitung und Leitung über/durch den Sensor.The time interval between sampling and measurement should be kept as short as possible, for example via a largely automated sampling, their processing and management via / through the sensor.
Als mithilfe eines erfindungsgemäßen Chips betrachtete (monitorierte) Organismen kommen prinzipiell alle Pflanzen, Tiere und Mikroorganismen in Frage, insbesondere solche, die kommerziell genutzt werden. So geht beispielsweise aus der Anmeldung DE 19860313 A1 mit dem Titel „Verfahren zur Erkennung und Charakterisierung von Wirkstoffen gegen Pflanzen-Pathogene" hervor, daß es in Pflanzen, insbesondere Nutzpflanzen Stoffwechselsituationen gibt, die beobachtet werden müssen. Ebenso können beispielsweise Nutztiere oder Labortiere beobachtet weden. Von nicht geringem kommerziellem Interesse sind eukaryontische Zellkulturen, etwa bei der Herstellung monoklonaler Antikörper, und insbesondere die fermentative Herstellung von Lebensmitteln, etwa über die von Hefen betriebene alkoholische Gärung. Bakterien werden insbesondere zur technischen Herstellung von Proteinen oder niedermolekularen Wertstoffen (Biotransformation), etwa von Vitaminen oder Antibiotika genutzt.In principle, all plants, animals and microorganisms in question, in particular those which are used commercially, are considered (monitored) organisms with the aid of a chip according to the invention. Thus, for example, from the application DE 19860313 A1 entitled "Method for detecting and characterizing Active substances against plant pathogens "show that there are metabolic situations in plants, in particular useful plants, which must be observed, as can livestock or laboratory animals, for example, eukaryotic cell cultures are of not little commercial interest, for example in the production of monoclonal antibodies, and in particular The fermentative production of foodstuffs, for example via the alcoholic fermentation operated by yeasts Bacteria are used in particular for the technical production of proteins or low molecular weight valuable substances (biotransformation), for example of vitamins or antibiotics.
Unter Sonden sind erfindungsgemäß alle Moleküle zu verstehen, die in der Lage sind, mit Nukleinsäuren eine jeweils weitgehend spezifische Wechselwirkung einzugehen (sie zu binden). Diese Wechselwirkung wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um im Rahmen einer entsprechenden Anordnung (Chip) ein weitgehend eindeutig zuzuordnendes, auswertbares Signal zu erhalten.According to the invention, probes are to be understood as meaning all molecules which are capable of entering into (respectively binding to) nucleic acids in each case with a largely specific interaction. This interaction is exploited according to the invention in order to obtain a largely unambiguous, evaluable signal within the scope of a corresponding arrangement (chip).
Chemisch gesehen handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen Sonde zumeist um eine Verbindung, die in der Lage ist, über Wasserstoffbrückenbindungen mRNA-Moleküle oder hiervon abgeleitete Nukleinsäuren zu binden, so wie dies beispielsweise auch bei der Wechselwirkung der beiden Stränge einer DNA oder der DNA-RNA-Wechselwirkung erfolgt. Dies kann beispielsweise eine DNA sein, welche gegenüber Hydrolyse stabiler ist als RNA.From a chemical point of view, a probe according to the invention is usually a compound which is capable of binding mRNA molecules or nucleic acids derived therefrom via hydrogen bonds, as for example also in the interaction of the two strands of a DNA or of the DNA RNA Interaction takes place. This may be, for example, a DNA which is more stable to hydrolysis than RNA.
Im Stand der Technik sind darüber hinaus weitere Moleküle bekannt, insbesondere chemisch synthetisierte, die biomimetisch dieselbe Wechselwirkung ermöglichen, aber stabiler als DNA sind, beispielsweise dadurch, daß die Phophatester-Bindungen des Rückgrats gegen weniger hydrolyseempfindliche Bindungen ausgetauscht worden sind. Solche Nukleinsäure-Analogon-Sonden kennzeichnen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung (siehe unten). Die betreffenden spezifischen Sonden wären, etwa nach dem Vorbild des mit dieser Anmeldung verbundenen Sequenzprotokolls entsprechend zu synthetisieren. Dies kommt dem Aspekt entgegen, daß erfindungsgemäße Chips vorteilhafterweise mehrmals verwendbar sein sollten, insbesondere während eines einzelnen beobachteten Prozesses, in dessen Verlauf eine ständige Überwachung erstrebenswert ist. Limitierend für die Brauchbarkeit einer Sonde ist jeweils das Maß der Homologie zwischen der bereitgestellten Sonde und der mRNA oder der davon abgeleiteten Nukleinsäure, die über Hybridisierung erkannt werden soll. Letztlich entscheidet das Maß an Hybridisierung der Sonde mit der zu detektierenden mRNA (siehe oben) über deren Brauchbarkeit als Sonde und muß im Einzelfall experimentell optimiert und/oder über Anpassung der Signalauswertung berücksichtigt werden. Es muß unter den durch den Aufbau der Meßapparatur, und sonstigen Einflüssen vorgegebenen Bedingungen eine Hybridisierung erfolgen, die spezifisch nur auf das interessierende Gen zurückgeführt werden kann, ausreichend stark ist, um ein positives Signal zu ergeben, und andererseits nicht zu stark ist, als daß das erkannte Molekül nach Erzeugung des Signals wieder abdiffundiert, um die Bindungsstelle für das nächste Molekül freizumachen, beziehungsweise ein Abklingen des Signals zu ermöglichen; letzteres gegebenenfalls über einen entsprechenden Waschschritt.In addition, other molecules are known in the art, in particular chemically synthesized, which allow biomimetic interaction, but are more stable than DNA, for example, by replacing the phosphate ester linkages of the backbone with less hydrolysis-sensitive bonds. Such nucleic acid analog probes characterize preferred embodiments of the present application (see below). The specific probes in question would be to synthesize, for example, according to the model of the sequence listing associated with this application. This is in contrast to the aspect that chips according to the invention should advantageously be usable several times, in particular during a single observed process in the course of which continuous monitoring is desirable. In each case, the degree of homology between the probe provided and the mRNA or the nucleic acid derived therefrom, which is to be detected by hybridization, is limiting for the usefulness of a probe. Ultimately, the degree of hybridization of the probe with the mRNA to be detected (see above) decides on its usefulness as a probe and must be experimentally optimized in individual cases and / or taken into account by adjusting the signal evaluation. There must be hybridization under the conditions imposed by the design of the measuring apparatus and other factors, which can be specifically attributed only to the gene of interest, strong enough to give a positive signal, and not too strong on the other hand the detected molecule diffused again after generation of the signal to free the binding site for the next molecule, or to allow a decay of the signal; the latter optionally via a corresponding washing step.
Allerdings ist es nötig, vor Verwendung erfindungsgemäßer Chips für einen interessierenden Organismus das Maß der Homologie zwischen den betreffenden Genen abzuschätzen, bei nicht ausreichender Affinität der zu detektierenden mRNAs zu den voregelegten Sonden solche über dieselben erfindungsgemäßen Gene aus näher verwandten Spezies auf dem Chip zu verankern und Kalibrierungsmessungen durchzuführen, um verläßliche Aussagen darüber zu erhalten, welche Signalstärke welcher Konzentration an spezieller mRNA entspricht.However, it is necessary to estimate the degree of homology between the genes in question before using chips according to the invention for an organism of interest, to anchor such on the chip of the invention more closely related genes on the chip if the affinity of the mRNAs to be detected for the preselected probes is insufficient and Perform calibration measurements to obtain reliable information on which signal strength corresponds to which concentration of specific mRNA.
Die Identifizierung der für die vorliegende Erfindung wesentlichen 47 Gene ist in den Beispielen zur vorliegenden Anmeldung beschrieben. Deren aus Bacillus licheniformis erhältlichen Sequenzen sind im Sequenzprotokoll der vorliegenden Anmeldung angegeben (SEQ ID NO. 1 bis 94), wobei es sich bei den Sequenzen mit ungeradzahligen Nummern um DNA-Sequenzen und bei den jeweils um einen Zahlwert höheren Sequenzen um die jeweils davon abgeleiteten Aminosäuresequenzen handelt. Während die DNA-Sequenzen unmittelbar für die Herstellung von Sonden genutzt werden können (siehe oben), dienen die Aminosäuresequenzen beispielsweise über Sequenzdatenbank- Vergleiche der Überprüfung der Genfunktion und können ferner dazu dienen, um etwa über Rück-Übersetzung des genetischen Codes ähnliche Nukleinsäuren-erkennende Sonden zu generieren. Wie in Beispiel 1 dargestellt ist, wurden zahlreiche verschiedene Gentranskripte, das heißt mRNA-Moleküle untersucht, insbesondere solche, von denen eine Beteiligung am Phosphatstoffwechsel allgemein bekannt war. Diese mRNA-Moleküle wurden zu verschiedenen Zeitpunkten während des Übergangs von B. licheniformis DSM 13 in einen Phosphatmangelzustand isoliert. In Beispiel 1 wird ebenfalls beschrieben, wie der Konzentrationsanstieg dieser mRNA im Zellinneren von B. licheniformis experimentell ermittelt wurde. Alternative Bestimmungsmöglichkeiten hierzu mögen im Stand der Technik etabliert sein; entscheidend für das Verständis der vorliegenden Erfindung ist die Zusammenstellung in Tabelle 1 (Beispiel 2). Sie zeigt die mit dem Übergang verbundenen Konzentrationsänderungen für insgesamt 235 mRNAs. Dabei wurden folgende Schwellenwerte für das Verhältnis der RNA Menge des jeweiligen Gens gegenüber dem Kontrollwert als signifikant angesehen: Als induziert gelten erfindungsgemäß die Gene, deren RNA ein Verhältnis > 3 (das heißt mindestens eine Verdreifachung) aufweist; eine deutliche Induktion liegt bei ein Verhältnis von > 10 vor; deutlich reprimiert sind Gene mit einem RNA-Verhältnis < 0,3 (das heißt einem Absenken auf weniger als 30%). Bei den in Tabelle 1 aufgeführten 235 Genen wurde zu irgendeinem der betrachteten Zeitpunkte mindestens eine Verdreifachung beobachtet.The identification of the 47 genes essential to the present invention is described in the examples of the present application. Their sequences obtainable from Bacillus licheniformis are given in the Sequence Listing of the present application (SEQ ID Nos. 1 to 94), wherein the sequences with odd-numbered numbers are DNA sequences and the sequences each higher by a number are those derived therefrom Amino acid sequences is. While the DNA sequences can be used directly for the production of probes (see above), the amino acid sequences serve, for example, via sequence database comparisons of the checking of gene function and can also be used to detect nucleic acid-recognizing nucleic acids by, for example, back-translation of the genetic code Generate probes. As shown in Example 1, numerous different gene transcripts, that is to say mRNA molecules, were investigated, in particular those of which participation in the phosphate metabolism was generally known. These mRNA molecules were isolated at different times during the transition from B. licheniformis DSM 13 to a phosphate deficient state. Example 1 also describes how the concentration increase of this mRNA inside the cell of B. licheniformis was determined experimentally. Alternative determination possibilities for this may be established in the prior art; decisive for the understanding of the present invention is the compilation in Table 1 (Example 2). It shows the concentration changes associated with the transition for a total of 235 mRNAs. The following threshold values for the ratio of the RNA amount of the respective gene to the control value were considered significant: According to the invention, the genes whose RNA has a ratio of> 3 (ie at least one tripling) are considered induced; a clear induction is present at a ratio of>10; clearly repressed are genes with an RNA ratio <0.3 (that is, a lowering to less than 30%). In the 235 genes listed in Table 1, at least one tripling was observed at any of the time points in question.
Unter diesen 235 Genen befinden sich, wie Tabelle 2 belegt, überraschenderweise lediglich 47 Gene mit einer mindestens 10fachen Induktion zu irgendeinem der beobachteten Zeitpunkte unter den Bedingungen des in Beispiel 1 beschriebenen Phosphatmangels. Diese 47 Gene werden erfindungsgemäß als repräsentative Indikatoren eines Phosphatmangelzustands angesehen. Weitere Angaben zu diesen Genen, beispielsweise über deren Funktion oder abweichende Start-Codons sind den Tabellen 2 und 3 und dem Sequenzprotokoll zu entnehmen; die jeweiligen deutschsprachigen Bezeichnungen für die zugehörigen Proteine sind bereits oben, in der Reihenfolge der Angaben in Tabelle 3 aufgeführt worden.Surprisingly, among these 235 genes, as shown in Table 2, there are only 47 genes with at least 10-fold induction at any of the observed time points under the conditions of the phosphate deficiency described in Example 1. These 47 genes are considered according to the invention as representative indicators of phosphate deficiency. Further information on these genes, for example on their function or deviating start codons can be found in Tables 2 and 3 and in the Sequence Listing; the respective German-language designations for the associated proteins have already been listed above in the order of the statements in Table 3.
All diese Gene sind jeweils für sich im Stand der Technik beschrieben. Sie können für die verschiedenen Organismen aus allgemein zugänglichen Datenbanken entnommen werden. Wie oben erwähnt sind die im Sequenzprotokoll für B. licheniformis DSM 13 angegebenen Sequenzen aus diesem Mikroorganismus ermittelt worden und stimmen praktisch mit den in der Publikation „The Complete Genome Sequence of Bacillus licheniformis DSM13, an Organism with Great Industrial Potential" (2004) von B. Veith et al. in J. Mol. Microbiol. Biotechnol., Band 7 (4), Seiten 204 bis 211 , beschriebenen und zusätzlich unter dem Eintrag AE017333 (Basen 1 bis 4.222.645) in der Datenbank GenBank (siehe oben) zugänglichen Angaben überein. Der Stamm ß. licheniformis DSM 13 ist über die Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascheroder Weg 1 b, 38124 Braunschweig (http://www.dsmz.de) allgemein erhältlich. Er trägt bei der American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas, VA 20110-2209, USA (http://www.atcc.org) die Hinterlegungsnummer ATCC 14580.All of these genes are individually described in the prior art. They can be found for the various organisms from generally accessible databases. As mentioned above, the sequences given in the Sequence Listing for B.licheniformis DSM 13 have been determined from this microorganism and are virtually identical to those described in the publication "The Complete Genome Sequence of Bacillus Licheniformis DSM13, to Organism with Great Industrial Potential" (2004) by B Veith et al., J. Mol. Microbiol. Biotechnol., Vol. 7 (4), pp. 204 to 211, and in addition to the entry AE017333 (bases 1 to 4.222.645) in the database GenBank (see above). The tribe ß. licheniformis DSM 13 is generally available from the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Mascheroder Weg 1 b, 38124 Braunschweig (http://www.dsmz.de). He holds the accession number ATCC 14580 from the American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas, VA 20110-2209, USA (http://www.atcc.org).
Die zu den genannten 47 Genen entsprechenden Gene aus anderen Organismen sind zu einem Großteil ebenfalls in allgemein zugänglichen Datenbanken hinterlegt, beispielsweise für die gut charakterisierten Spezies B. subtilis und E. coli, die allgemein als Modellorganismen der grampositiven, beziehungsweise gramnegativen Bakterien angesehen werden. Die entsprechenden Sequenzen können beispielsweise den Datenbanken des Institut Pasteur, 25,28 rue du Docteur Roux, 75724 Paris CEDEX 15, Frankreich, entnommen werden, welche über die Internet-Adressen http://genolist.pasteur.fr/Colibri/ (für E. coli), beziehungsweise http://genolist.pasteur.fr/SubtiList/ (für B. subtilis) zugänglich sind (Stand: 2.12.2004). Weitere hierfür geeignete Datenbanken sind die des EMBL-European Bioinformatics Institute (EBI) in Cambridge, Großbritannien (http://www.ebi.ac.uk), Swiss-Prot (Geneva Bioinformatics (GeneBio) S.A., Genf, Schweiz; http://www.genebio.com/sprot.html) oder GenBank (National Center for Biotechnology Information NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA).The genes from other organisms corresponding to the abovementioned 47 genes are also to a large extent also stored in generally accessible databases, for example for the well-characterized species B. subtilis and E. coli, which are generally regarded as model organisms of Gram-positive or Gram-negative bacteria. The corresponding sequences can be found, for example, in the databases of Institut Pasteur, 25.28 rue du Docteur Roux, 75724 Paris CEDEX 15, France, which can be accessed via the Internet at http://genolist.pasteur.fr/Colibri/ (for E coli), or http://genolist.pasteur.fr/SubtiList/ (for B. subtilis) are accessible (as of December 2, 2004). Other databases suitable for this purpose are those of the EMBL-European Bioinformatics Institute (EBI) in Cambridge, Great Britain (http://www.ebi.ac.uk), Swiss-Prot (Geneva Bioinformatics (GeneBio) SA, Geneva, Switzerland; http: // www. //www.genebio.com/sprot.html) or GenBank (National Center for Biotechnology Information, NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA).
Unter diesen „entsprechenden Genen" sind diejenigen zu verstehen, die jeweils für die Proteine codieren, die im betrachteten Organismus dieselbe chemische Reaktion katalysieren oder an demselben physiologischen Vorgang wie die genannten 47 Proteine in ß. licheniformis DSM 13 beteiligt sind. Die meisten davon tragen für andere Organismen ähnliche Namen und Abkürzungen wie die, die in den Tabellen 1 und 2 für B. licheniformis angegeben sind, weil diese Namen für die jeweilige Funktion stehen. Im Zweifelsfall geben sie sich über ihre Sequenz zu erkennen, welche aus dem betreffenden Organismus die zu den hier genannten jeweils nächstähnliche (am stärksten homologe) ist. Bei der Funktionszuordnung kommt es vor allem auf die Ähnlichkeit der Aminosäuresequenzen zueinander an, weil die Aminosäuren die Funktionsträger des Proteins darstellen und aufgrund der Degeneriertheit des genetischen Codes verschiedene Nukleotidsequenzen für dieselbe Aminosäuresequenz codieren können. Besonders hohe Verwandtschaftsgrade bestehen zwischen nahe verwandten Spezies. So kann prinzipiell davon ausgegangen werden, daß sich zu den meisten der genannten 47 Gene Homologe in allen Spezies finden lassen, auch in Cyanobakterien, in eukaryontischen Zellen wie etwa Pilzen, oder gramnegativen Spezies wie E. coli oder Klebsiella. Noch höher ist diese Wahrscheinlichkeit für grampositive Bakterien, insbesondere der Gattung Bacillus, weil es sich bei B. licheniformis DSM 13, von dem die im Sequenzprotokoll aufgeführten Sequenzen stammen, um ein solches grampositives Bakterium handelt. Zudem ist davon auszugehen, daß in zunehmend verwandten Organismen die homologen Gene auch zunehmend denselben oder gleichwirkenden Regulationsmechanismen unterworfen sind; somit sollten diese Homologen auch dieselbe Stoffwechselsituation, insbesondere einen Phosphatmangel anzeigen. Insofern ist B. licheniformis ein glücklich gewählter Beispielorganismus, weil die kommerziell ebenfalls besonders wichtigen Spezies S. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. lentus, B. globigii ebenfalls Bacilli und damit grampositiv sind. Damit wird dem diesbezüglichen Aspekt der gestellten Aufgabe entsprochen.These "corresponding genes" are to be understood as meaning those which in each case code for the proteins which catalyze the same chemical reaction in the organism under consideration or participate in the same physiological process as the abovementioned proteins in B. licheniformis DSM 13. Most of them carry other organisms have names and abbreviations similar to those given in B. licheniformis in Tables 1 and 2, because these names stand for the function in question, and in case of doubt they identify themselves by their sequence The function assignment depends above all on the similarity of the amino acid sequences to one another, since the amino acids represent the function carriers of the protein and, due to the degeneracy of the genetic code, can code different nucleotide sequences for the same amino acid sequence. Particularly high degrees of kinship exist between closely related species. Thus, in principle, it can be assumed that homologs can be found in most species for most of the 47 genes mentioned, including in cyanobacteria, in eukaryotic cells such as fungi, or in gram-negative species such as E. coli or Klebsiella. This probability is even higher for Gram-positive bacteria, in particular the genus Bacillus, because B. licheniformis DSM 13, of which the sequences listed in the sequence listing are derived, is such a Gram-positive bacterium. In addition, it can be assumed that in increasingly related organisms, the homologous genes are also increasingly subjected to the same or equivalent regulatory mechanisms; thus these homologues should also indicate the same metabolic situation, in particular a phosphate deficiency. In this respect, B. licheniformis is a happily chosen exemplified organism, because the species S. subtilis, B. amyloliquefaciens, B. lentus, B. globigii, which are likewise particularly important commercially, are also Bacilli and thus Gram-positive. This complies with the relevant aspect of the task.
Es sei angemerkt, daß zum Nacharbeiten der Erfindung für eine bestimmte Spezies nicht alle genannten 47 Gene bekannt sein müssen, sondern lediglich einige davon (siehe unten) ausreichen, um den Phosphatstoffwechsel abzubilden und insbesondere den Übergang in einen Phosphatmangelzustand detektieren zu können. Gleichwohl steigt mit zunehmender Zahl von Sonden die Verläßlichkeit der Aussage über den Phosphat- Versorgungsszustand. Sind mehrere prinzipiell aufgrund der vorliegenden Offenbarung geeignet erscheinende Gene bekannt, empfiehlt es sich, vor Herstellung eines entsprechenden Chips eine Expressionsstudie durchzuführen, um ähnlich der Darstellung in Beispiel 1 oder auch über eine Northern-Analyse zu überprüfen, ob die betreffenden Gene tatsächlich signifikante Aussagen erlauben. Je weniger die betrachtete Spezies mit B. licheniformis verwandt ist, desto eher mögen sich Verschiebungen hinsichtlich des durch Phosphatmangel hervorgerufenen Expressionsniveaus ergeben, so daß sich (gegebenenfalls andere als die unten zusammengestellten) Unterguppen dieser 47 Gene als besonders geeignet und damit als bevorzugt herausstellen.It should be noted that to work through the invention for a particular species not all of the 47 genes mentioned must be known, but only a few of them (see below) are sufficient to map the phosphate metabolism and in particular to detect the transition to a phosphate deficiency state. Nevertheless, as the number of probes increases, the reliability of the statement about the phosphate supply state increases. If several genes, which in principle appear to be suitable based on the present disclosure, are known, it is advisable to carry out an expression study before producing a corresponding chip, in order to check, similar to the representation in Example 1 or also via a Northern analysis, whether the genes in question actually permit significant statements , The less the species considered is related to B. licheniformis, the more likely it would be shifts in the level of expression caused by phosphate deficiency, so that (possibly other subgroups of these genes than those listed below will prove particularly suitable and thus preferred.
Bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chips für einen hier nicht genannten Organismus müssen also zu zumindest einzelne der für B. licheniformis genannten Gene die zugehörigen homologen Gene identifiziert werden, beispielsweise durch einen Vergleich der für den betreffenden Organismus bekannten DNA-Sequenzen mit den hier angegebenen Sequenzen. Diese oder Teile davon (siehe unten) können sodann an sich als Sonden oder als Vorlage zur Synthese entsprechender Sonden dienen, welche nach an sich bekannten Methoden auf einen Nukleinsäure- bindenden Chip aufgebracht werden.In the production of a nucleic acid-binding chip according to the invention for an organism not mentioned here, the associated homologous genes must therefore be identified for at least some of the genes mentioned for B. licheniformis, for example by a comparison of those known for the organism concerned DNA sequences with the sequences given here. These or parts thereof (see below) can then serve as probes or as template for the synthesis of corresponding probes, which are applied to a nucleic acid-binding chip by methods known per se.
Sollten einzelne homologe Sequenzen nicht in Datenbanken hinterlegt sein, ist es dem Fachmann möglich, anhand der im Sequenzprotokoll zur vorliegenden Anmeldung offenbarten Sequenzen jeweilige Sonden zu synthetisieren, um mit deren Hilfe eine für den gewünschten Organismus erstellte Genbank (genomisch oder vorzugsweise auf der Basis der cDNA) nach allgemein üblichen Methoden nach dem betreffenden Homolog zu durchsuchen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, anhand der im Sequenzprotokoll angegebenen DNA-Sequenzen Oligonukleotide zu synthetisieren, die als PCR-Primer dienen, um die betreffenden Gene oder als Sonden brauchbare Teile davon aus einer gesamtgenomischen DNA-Präparation oder einer cDNA-Präparation des interessierenden Organismus herauszuamplifizieren. Diese oder Teile davon (siehe unten) können als Sonden auf erfindungsgemäßen Nukleinsäure-spezifischen Chips eingesetzt werden.If individual homologous sequences are not stored in databases, it is possible for a person skilled in the art to synthesise respective probes on the basis of the sequences disclosed in the sequence listing for the present application, with the aid of which a gene bank prepared for the desired organism (genomically or preferably on the basis of the cDNA ) to search for the relevant homologue according to generally accepted methods. Alternatively, it is also possible to synthesize oligonucleotides using the DNA sequences given in the sequence listing, which serve as PCR primers, to the relevant genes or probes useful parts thereof from a total genomic DNA preparation or a cDNA preparation of the organism of interest herauszuamplifizieren. These or parts thereof (see below) can be used as probes on nucleic acid-specific chips according to the invention.
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel-spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100 liegt. Dieses Merkmal korreliert mit der gestellten Aufgabe, wonach sie schwerpunktmäßig auf solche Nukleinsäure-bindenden Chips ausgerichtet sein sollte, deren Anzahl an belegbaren Plätzen aufgrund ihrer Bauart vergleichsweise gering ist. Dies sind insbesondere die elektrisch auswertbaren Chips.An essential feature of the present invention is that the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100. This feature correlates with the stated task, according to which it should focus on nucleic acid-binding chips whose number of assignable sites is comparatively low due to their design. These are in particular the electrically evaluable chips.
Zunehmend bevorzugt ist es deshalb, wenn die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel- spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 oder 50 liegt.It is therefore increasingly preferred if the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 or 50.
Darin können auch Sonden für andere, in der vorliegenden Anmeldung nicht diskutierte Gene enthalten sein, die der Kontrolle dienen, beispielsweise solche, die nur bei ausreichender Phosphatversorgung exprimiert werden. Das Verschwinden eines hierauf zurückzuführenden Signals kann ebenfalls den Übergang in den Phosphatmangelzustand anzeigen. Sollte solch ein Signal erhalten bleiben, dient das der Kontrolle, wie zuverlässig das erfindungsgemäß zu ermittelnde Signal des Phosphatmangels ist. Unter den weiteren Phosphatstoffwechsel-spezifischen Sonden können beispielsweise solche sein, die durch einen Phosphatüberschuß induziert werden, eventuell auch weitere, die mit dem Phosphatstoffwechsel scheinbar in keinem direkten Zusammenhang stehen, aufgrund dieser Induzierbarkeit aber als solche definiert werden können. Damit ergibt solch ein Chip auch eine auswertbare und im betrachteten Prozeß brauchbare Information, wenn der Phosphatmangel, beispielsweise durch Ergreifen entsprechender Gegenmaßnahmen überwunden worden ist.These may also contain probes for other genes, which are not discussed in the present application, and which serve for the control, for example those which are only expressed if there is sufficient phosphate supply. The disappearance of a signal due to this can also indicate the transition to the phosphate deficiency state. Should such a signal be preserved, this serves to control how reliable the signal of the phosphate deficiency to be determined according to the invention is. Among the other phosphates metabolism-specific probes may be, for example, those that are induced by an excess of phosphate, possibly also others that are apparently not directly related to the Phosphatstoffwechsel, but can be defined as such due to this inducibility. Thus, such a chip also provides an evaluable information useful in the considered process, if the lack of phosphate has been overcome, for example, by taking appropriate countermeasures.
Ferner handelt es sich bei Nukleinsäure-spezifischen Sonden in der Regel jeweils nur um Fragmente der kompletten Gene (siehe unten). In Einzelfällen, beispielsweise bei einer Regulation über Spleißen oder großen, mehrfachfunktionellen Polypeptiden kann es deshalb sinnvoll sein, ein und dasselbe Gen mit zwei oder mehr verschiedenen Sonden zu detektieren. Somit sind entsprechende Ausführungsformen gegebenenfalls durch mehr als 47 Sonden gekennzeichnet, die jedoch auf nicht mehr als diese 47 Gene ansprechen.Furthermore, nucleic acid-specific probes are usually only fragments of the complete genes (see below). In individual cases, for example in the case of regulation via splicing or large, polyfunctional polypeptides, it may therefore be useful to detect one and the same gene with two or more different probes. Thus, appropriate embodiments are optionally characterized by more than 47 probes, but which respond to no more than these 47 genes.
Je nach zu beobachtendem Prozeß können auf erfindungsgemäßen Chips auch Sonden für weitere Gene beziehungsweise Genprodukte enthalten sein (siehe unten).Depending on the process to be observed, it is also possible for probes for further genes or gene products to be present on chips according to the invention (see below).
Zum anderen besteht der Kern der Erfindung gerade in der Spezifität des betreffenden Chips, mit dem eine spezielle Stoffwechselsituation erfaßt werden sollte. Die Herstellung eines Chips mit mehr als 100 auf verschiedene Gene ansprechenden Sonden oder sogar eines Chips, der einen Großteil des Genoms eines Organismus abbildet, ist bei einer solch spezifischen Fragestellung wegen des damit verbundenen Aufwands nicht Teil der hier beschriebenen Erfindung. Vielmehr können beide Arten von Chips in einem beobachteten Bioprozeß sinnvoll nebeneinander eingesetzt werden: So können die Chips mit zahlreichen verschiedenen Gensonden oder mit einem repräsentativen Querschnitt verschiedener möglicherweise relevanter Situationen, wie sie mit der Anmeldung WO 2004/027092 A2 zur Verfügung gestellt werden, einen groben Überblick über den Zustand des betreffenden Organismus liefern, während ein erfindungsgemäßer Chip zur Kontrolle hinzugezogen wird, wenn Anlaß zur Sorge besteht, die betreffenden Zellen könnten in einen Phosphatmangelzustand eintreten.On the other hand, the core of the invention lies precisely in the specificity of the respective chip, with which a special metabolic situation should be detected. Producing a chip with more than 100 probes responsive to different genes, or even a chip that mimics most of the genome of an organism, is not part of the invention described herein for such a specific problem because of the expense involved. Rather, both types of chips can be sensibly used side by side in an observed bioprocess: Thus, the chips with a large number of different gene probes or with a representative cross-section of various possibly relevant situations, as provided by the application WO 2004/027092 A2, can be coarse Provide an overview of the state of the organism in question while a chip according to the invention is consulted for control, if there is cause for concern, the cells in question could enter into a phosphate deficiency state.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chip, der zunehmend bevorzugt mit den oben angegebenen Sonden in der dort angegebenen Reihenfolge dotiert ist. Hiermit sind die in Tabelle 3 aufgeführten Gene in umgekehrter Reihenfolge gemeint. Demnach sind Chips mit Sonden zum Gen yhcR (Ähnliches zur 5'-Nucleotidase; SEQ ID NO. 13, 14) unter den erfindungsgemäßen Chips hinsichtlich der Genauswahl zur Bildung von Sonden noch am wenigsten bevorzugt, weil dieses unter den 47 genannten, durch Phosphatmangel signifikant verstärkt transkribierten Genen am schwächsten induziert worden ist. Demgegenüber sind solche mit einer Sonde für das Gen yvmC (Ähnliches zu Proteinen unbekannter Funktion; SEQ ID NO. 75, 76) hinsichtlich der Genauswahl am stärksten bevorzugt. Denn dieses zeigte gegenüber dem Ausgangsniveau eine nahezu 150fache Induktion und damit die stärkste von allen gemessenen Genen. Das hiermit verbundene Signal sollte also von allen untersuchten Genen am besten dazu geeignet sein, die Stoffwechselsituation „Phosphatmangel" anzuzeigen.In a preferred embodiment, it is a nucleic acid-binding chip according to the invention, which is increasingly preferably doped with the probes specified above in the order given there. By this is meant the genes listed in Table 3 in reverse order. Thus, chips with probes to the gene yhcR (similar to the 5'-nucleotidase; SEQ ID NO 13, 14) are still least preferred among the chips according to the invention for gene selection for the formation of probes because this, among the 47 mentioned, is significant due to phosphate deficiency amplified transcribed genes has been induced the weakest. In contrast, those with a probe for the gene yvmC (similar to proteins of unknown function, SEQ ID NOs: 75, 76) are most preferred for gene selection. Because this showed a nearly 150-fold induction compared to the initial level and thus the strongest of all genes. The signal associated with this should therefore be best suited to indicate the metabolic situation "phosphate deficiency" of all genes investigated.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um einen erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chip, wobei mindestens drei der Sonden aus den folgenden 39 Genen ausgewählt sind: Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-De- hydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC.In a preferred embodiment, it is a nucleic acid-binding chip according to the invention, wherein at least three of the probes are selected from the following 39 genes: gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, gene for a preserved hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, gene for a putative aromatic-specific dioxygenase (homolog to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homolog to SEQ ID NO 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homologue to SEQ ID NO: 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, as D, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO. 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC.
Denn diese Gene zeigten bei den in den Beispielen anhand von B. licheniformis DSM 13 durchgeführten, in den Beispielen 1 bis 3 dargestellten Untersuchungen Geninduktionen, die mindestens um den Faktor 13 erhöht waren. Entsprechend bevorzugte Ausführungsformen sind also durch die ersten 39 der in Tabelle 3 aufgeführten Gene gekennzeichnet.For these genes showed in the examples carried out in the examples based on B. licheniformis DSM 13, shown in Examples 1 to 3 gene inductions, which were increased by at least a factor of 13. Accordingly, preferred embodiments are characterized by the first 39 of the genes listed in Table 3.
Weiterhin bevorzugt sind solche erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chips, wobei mindestens drei der Sonden aus den folgenden 14 Genen ausgewählt sind: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC.Further preferred are nucleic acid-binding chips according to the invention, wherein at least three of the probes are selected from the following 14 genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO: 17), gene for putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS , phoB, yvnA, yvmC.
Denn diese Gene zeigten bei den in den Beispielen anhand von B. licheniformis DSM 13 durchgeführten, in den Beispielen 1 bis 3 dargestellten Untersuchungen Geninduktionen, die mindestens um den Faktor 25 erhöht waren.For these genes showed in the examples carried out in the examples using B. licheniformis DSM 13, shown in Examples 1 to 3 gene inductions, which were increased by at least a factor of 25.
Weiterhin bevorzugt sind solche erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chips, wobei mindestens drei der Sonden aus den folgenden 8 Genen ausgewählt sind: phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC.Further preferred are such nucleic acid-binding chips according to the invention, wherein at least three of the probes are selected from the following 8 genes: phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC.
Denn diese Gene zeigten bei den in den Beispielen anhand von B. licheniformis DSM 13 durchgeführten, in den Beispielen 1 bis 3 dargestellten Untersuchungen Geninduktionen, die mindestens um den Faktor 40 erhöht waren.For these genes showed in the examples carried out in the examples based on B. licheniformis DSM 13, shown in Examples 1 to 3 gene inductions, which were increased by at least a factor of 40.
Weiterhin bevorzugt sind solche erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chips, wobei mindestens eine, zunehmend bevorzugt zwei oder drei der Sonden aus den folgenden 3 Genen ausgewählt ist/sind: phoB, yvnA, yvmC.Further preferred are such nucleic acid-binding chips according to the invention, wherein at least one, more preferably two or three, of the probes are / are selected from the following 3 genes: phoB, yvnA, yvmC.
Denn diese zeigten bei den in den Beispielen anhand von ß. licheniformis DSM 13 durchgeführten, in den Beispielen 1 bis 3 dargestellten Untersuchungen Geninduktionen, die mindestens um den Faktor 100, in den Fällen von yvnA und yvmC um mehr als 115 und im zuletztgenannten Fall sogar um deutlich mehr als den Faktor 140 erhöht waren.For these showed in the examples using ß. lichenogenis DSM 13 carried out in Examples 1 to 3 Geninduktionen that were increased by at least a factor of 100, in the cases of yvnA and yvmC by more than 115 and in the latter case by significantly more than a factor of 140.
In bevorzugten Ausführungsformen sind erfindungsgemäße Nukleinsäure-bindende Chips mit mindestens 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 oder 47 der in der für die vorliegende Erfindung genannten Sonden dotiert.In preferred embodiments, nucleic acid-binding chips according to the invention are at least 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 or 47 of the probes mentioned in the present invention.
Denn je mehr dieser Sonden auf ein entsprechendes Signal ansprechen, desto zuverlässiger ist die hiermit verbundene Aussage über die augenblickliche Phosphatversorgung beziehungsweise -Unterversorgung. So ist es auch sinnvoll, die besonders aussagekräftigen und somit bevorzugte Ausführungsformen kennzeichnenden Sonden mit scheinbar weniger aussagekräftigen zu kombinieren, um falsch-positive Signale ausschließen zu können. Ferner ist es vorteilhaft, entsprechend den Angaben in Tabelle 2 solche Sonden miteinander zu kombinieren, die zu unterschiedlichen der dort angegebenen Zeitpunkte unterschiedlich starke Signale ergeben. So kann man zu einer Abschätzung darüber gelangen, wie lange vor Probennahme der Eintritt des Phosphatmangels zurückliegt und ob er - unter Protokollierung der Kultivierungsbedingugen - möglicherweise auf einen bestimmten Umwelteinfluß zurückzuführen ist.For the more of these probes respond to a corresponding signal, the more reliable is the associated statement about the instantaneous phosphate supply or sub-supply. Thus, it is also useful to combine the particularly meaningful and thus preferred embodiments characterizing probes with seemingly less meaningful to exclude false-positive signals can. Furthermore, it is advantageous, as indicated in Table 2 to combine such probes with each other, which give different strength signals at different times specified therein. Thus, one can arrive at an estimate of how long before the beginning of the sampling of the phosphate deficiency occurs and whether he - while logging the cultivation conditions - may be due to a specific environmental impact.
Hinsichtlich ihrer konkreten Sequenzen verschiedene Sonden, die aber auf dieselbe mRNA ansprechen, beispielsweise Fragmente, die mit unterschiedlichen Bereichen derselben mRNA hybridisieren (s.u.), können zur Erhöhung der Auslesesicherheit mehrmals vertreten sein, werden im Sinne dieses Erfindungsaspekts aber nur einmal gezählt, weil sie im besten Fall gleichstark auf dasselbe Signal ansprechen und prinzipiell gegeneinander austauschbar wären.With regard to their specific sequences, different probes which, however, respond to the same mRNA, for example fragments which hybridize with different regions of the same mRNA (see below), can be represented several times to increase the readability, but are counted only once within the meaning of this aspect of the invention because they are present in the best case equally responsive to the same signal and in principle would be interchangeable.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips liegt die Gesamtzahl aller unterschiedlichen Sonden zunehmend bevorzugt nicht über 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 oder 50.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, the total number of all different probes is increasingly preferably not more than 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 or 50.
Dies entspricht dem oben ausgeführten Erfindungsgedanken, wonach mit den hier beschriebenen Chips ein spezieller Stoffwechselaspekt monitoriert werden soll, so daß eine größere Zahl von Sonden als zum Erfassen dieser Situation notwendig nicht auf den betreffenden Chips aufgebracht zu werden braucht. Davon bleibt die Situation unberührt, daß es in Einzelfällen sinnvoll sein kann, mehr als eine Sonde zur Detektion derselben mRNA einzusetzen und/oder einzelne Sonden aufzubringen, die mit der Herstellung eines interessierenden Wertstoffs in Verbindung stehen. Insgesamt bewegt sich die vorliegende Erfindung in dem genannten Rahmen, um Chips mit technisch bedingt nur wenigen Bindungsstellen in den Schutzbereich einschließen zu können.This corresponds to the inventive idea outlined above, according to which a special metabolic aspect is to be monitored with the chips described here, so that a larger number of probes than for detecting this situation need not necessarily be applied to the respective chips. This leaves the situation unaffected that in individual cases it may be useful to use more than one probe to detect the same mRNA and / or apply individual probes that are associated with the production of a valuable material of interest. Overall, the present invention moves in said frame to include chips with only a few binding sites due to technical reasons in the scope.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips handelt es sich bei den als erfindungsrelevant genannten Sonden um solche, die auf die betreffenden, beziehungsweise höchsthomologen, in vivo transkribierbaren Gene aus dem für den Bioprozeß gewählten Organismus ansprechen, vorzugsweise solche, die von den betreffenden, beziehungsweise höchsthomologen, in vivo transkribierbaren Genen eben dieses Organismus abgeleitet sind. Hierzu ist bereits oben ausgeführt worden, daß die in der vorliegenden Anmeldung offenbarten Sequenzen aus B. licheniformis erhalten worden sind und sich aufgrund der allgemein bekannten Verwandtschaftsverhältnisse insbesondere zum Überwachen von verwandten Spezies, insbesondere solchen der Gattung Bacillus eignen sollten. Dies gilt sowohl für die identifizierten Gene, denen aufgrund von Datenbankvergleichen konkrete Funktionen zugewiesen werden konnten und die in anderen Spezies prinzipiell für dieselbe Funktion codieren sollten, als auch für diejenigen, die nur über ihre Sequenzen definiert worden sind. Hierzu werden erfindungsgemäß die im betrachteten Organismus nächstverwandten Gene zur Ableitung entsprechender Sonden verwendet. Dabei ist jedoch darauf zu achten, daß keine Sonden zu Pseudogenen erzeugt werden, sondern zu solchen, die tatsächlich unter /n-wVo-Bedingungen in mRNA umgeschrieben werden, das heißt die zu einem im Cytoplasma meßbaren Nukleinsäure-Signal führen.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, the probes considered to be relevant to the invention are those which respond to the respective, or most homologous, in vivo transcribable genes from the organism selected for the bioprocess, preferably those derived from the relevant, or highly homologous, in vivo transcribable genes are derived just this organism. For this purpose, it has already been stated above that the sequences disclosed in the present application were obtained from B. licheniformis and, owing to the generally known relationships, should be suitable in particular for monitoring related species, in particular those of the genus Bacillus. This applies both to the identified genes, to which specific functions could be assigned on the basis of database comparisons, and which in principle should code for the same function in other species, as well as for those who have been defined only by their sequences. For this purpose, according to the invention, the genes closely related in the organism in question are used to derive corresponding probes. Care must be taken, however, that no probes are generated to pseudogenes, but to those that are actually rewritten under / n-wVo conditions in mRNA, that is, which lead to a measurable in the cytoplasmic nucleic acid signal.
Statistisch gesehen sollte solch ein Chip jedoch umso erfolgreicher einsetzbar sein, je besser die gewählten Sonden mit den zu messenden Nukleinsäuren interagieren. Somit steigt vor allem bei abnehmendem Verwandtschaftsgrad zu B. licheniformis die Notwendigkeit, sich bei dieser Hybridisierung nicht auf die angegebenen Sequenzen zu verlassen sondern - sofern Sequenzunterschiede bestehen - die für die homologen Gene aus den betreffenden Spezies einzusetzen. Wie erläutert können diese über an sich bekannte Verfahren, insbesondere Genbank-Screening oder PCR mit Primern, die an den hier offenbarten Sequenzen orientiert sind (gegebenenfalls in Form sogenannter Mismatch-Primer mit gewissen, statistischen Sequenzvariationen), erhalten werden.Statistically, however, such a chip should be all the more successful the better the selected probes interact with the nucleic acids to be measured. Thus, especially with decreasing degree of relatedness to B. licheniformis, the need not rely on the sequences given in this hybridization but - if there are sequence differences - to use for the homologous genes from the species in question. As explained, these can be obtained by methods known per se, in particular Genbank screening or PCR with primers oriented on the sequences disclosed here (optionally in the form of so-called mismatch primers with certain statistical sequence variations).
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips handelt es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
Denn in diese Gruppen fallen die kommerziell am stärksten eingesetzen Organismen, insbesondere wenn es sich bei dem zu beobachtenden Bioprozeß um eine Fermentation handelt. Hierzu zählen beispielsweise Gärprozesse, etwa zur Herstellung von Wein oder Bier, oder die biotechnologische Herstellung von Wertstoffen wie Proteinen oder niedermolekularen Verbindungen.Because in these groups fall the most commercially used organisms, especially if it is the observed bioprocess is a fermentation. These include, for example, fermentation processes, for example for the production of wine or beer, or the biotechnological production of valuable substances such as proteins or low molecular weight compounds.
Abhängig von der Art des gewünschten Produkts werden für ein biotechnologisches Verfahren verschiedene Organismen gewählt. Hierunter sind im Sinne der Erfindung nicht allein die Produktionsstämme zu verstehen sondern auch alle dem Produktionsprozeß vorgeschalteten Organismen, beispielsweise zur Klonierung entsprechender Gene oder zur Auswahl geeigneter Expressionsvektoren. Der Bedarf, die Phosphatlimitation zu erfassen, besteht dabei prinzipell während jedes Teilprozesses.Depending on the type of product desired, different organisms are chosen for a biotechnological process. These are not within the meaning of the invention to understand only the production strains but also all upstream of the production process organisms, for example, to clone corresponding genes or to select suitable expression vectors. The need to capture the phosphate limitation basically exists during each sub-process.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips handelt es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.In preferred embodiments of inventive nucleic acid-binding chips, the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, very particularly Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
Denn diese werden neben der Herstellung alkoholischer Getränke und weiterer durch Gärung erhaltener Lebensmittel intensiv als Wirtszellen insbesondere für die Genprodukte von Eukaryonten eingesetzt. Letzteres ist dann besonders vorteilhaft, wenn diese Genprodukte spezielle, nur durch diese Stämme durchführbare Modifikationen erfahren sollen, wie beispielsweise Glykosylierungen von Proteinen.Because these are used in addition to the production of alcoholic beverages and other foods obtained by fermentation intensively as host cells in particular for the gene products of eukaryotes. The latter is particularly advantageous when these gene products are to undergo specific modifications that can be carried out only by these strains, such as, for example, glycosylations of proteins.
Unter diesen Gegenstand fallen auch erfindungsgemäße Chips, die auf die Überwachung des Verlaufs, insbesondere des Wachstums von Zellkulturen höherer Eukaryonten, etwa von Nagetieren oder von Menschen ausgerichtet sind. Sie können in gewisser Hinsicht ebenfalls als, zumindest weitgehend einzellige Eukaryonten verstanden werden, die insbesondere in der Immunologie eine erhebliche kommerzielle Bedeutung besitzen, beispielsweise für die Herstellung monoklonaler Antikörper.This object also includes chips according to the invention which are directed to the monitoring of the course, in particular of the growth of cell cultures of higher eukaryotes, for example of rodents or of humans. They may also be understood, in a sense, as at least largely unicellular eukaryotes, which have considerable commercial significance, in particular in immunology, for example for the production of monoclonal antibodies.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips handelt es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder B. lentus, und ganz besonders um B. licheniformis.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, the Gram-positive bacteria are Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and especially B. licheniformis.
Denn dies sind technisch besonders wichtige Produktionsstämme. Sie werden insbesondere zur Produktion niedermolekularer chemischer Verbindungen, etwa von Vitaminen oder von Antibiotika oder zur Produktion von Proteinen, insbesondere Enzymen eingesetzt. Hierbei sind besonders Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Oxidoreduktasen und Proteasen besonders hervorzuheben. Die besondere Ausrichtung auf B. licheniformis erklärt sich daraus, daß die im Sequenzprotokoll angegebenen Sequenzen aus dieser Spezies erhalten worden sind und wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben nachweislich mit dem Übergang in einen Phosphatmangel in Verbindung gebracht werden konnten.Because these are technically particularly important production strains. They are used in particular for the production of low molecular weight chemical compounds, such as vitamins or antibiotics or for the production of proteins, in particular enzymes. Particularly noteworthy here are amylases, cellulases, lipases, oxidoreductases and proteases. The special focus on B. licheniformis is explained by the fact that the sequences given in the sequence listing from this Species were obtained and as described in Examples 2 and 3 could be demonstrably associated with the transition to a phosphate deficiency.
In nicht minder bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure- bindender Chips handelt es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).In no less preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, the Gram-negative bacteria are those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and more particularly derivatives of the strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
Denn diese dienen sowohl im Labormaßstab beispielsweise der Klonierung und Expressionsanalyse als auch im großtechnischen Maßstab der Herstellung biologischer Wertstoffe.Because these serve both on a laboratory scale, for example, the cloning and expression analysis as well as on a large scale of the production of biological valuable materials.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips ist/sind mindestens eine, zunehmend bevorzugt mehrere der im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung genannten Sonden von den Sequenzen abgeleitet, die im Sequenzprotokoll unter den Nummern SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 13, 15, 17, 19, 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33, 35, 37, 39, 41 , 43, 45, 47, 49, 51 , 53, 55, 57, 59, 61 , 63, 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 79, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 und 93 aufgeführt sind.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, at least one, more preferably more, of the probes mentioned in connection with the invention described herein are derived from the sequences which are listed in the sequence listing under the numbers SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91 and 93 are listed.
Denn diese Gene konnten bei B. licheniformis, wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben, nachweislich mit dem Übergang in einen Phosphatmangel in Verbindung gebracht werden. Insbesondere wenn B. licheniformis oder andere, vor allem verwandte Bacillus- Spezies überwacht werden sollen, sollte deshalb auf diese Sequenzen zurückgegriffen werden.For these genes have been shown in B. licheniformis, as described in Examples 2 and 3, proven to be associated with the transition to a phosphate deficiency. In particular, when B. licheniformis or other, especially related Bacillus species are to be monitored, therefore, these sequences should be used.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips handelt es sich um solche, die zusätzlich mit mindestens einer Sonde für ein zusätzliches Gen dotiert ist/sind, insbesonderen einem solchen, das in einem Stoffwechsel-bedingten Zusammenhang zu dem oder den prozeßbedingt zusätzlich exprimierten Gen(en) steht, ganz besonders für eines von diesen oder dieses selbst. Wie oben ausgeführt dienen die beobachteten Prozesse einem technischen Interesse, das oft mit weiteren spezifischen Genen verbunden ist. Hierbei handelt es sich beispielsweise in dem Fall, daß ein Protein hergestellt werden soll, um das Gen für dieses Protein und in dem Fall, daß eine niedermolekulare Verbindung hergestellt werden soll, um ein oder mehrere Genprodukte, die auf dem Syntheseweg der betreffenden Verbindung liegen oder diesen regulieren. Es können auch andere zelleigene Gene betroffen sein, etwa Stoffwechselgene, die im Zuge der Produktherstellung verstärkt gebildet werden müssen, beispielsweise eine zelleigene Oxidoreduktase, wenn das Produkt aus einem Edukt oder einem Zwischenprodukt über Oxidation oder Reduktion erhalten werden soll.Preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention are those which are additionally doped with at least one probe for an additional gene, in particular one which is in a metabolic-related relationship to the gene (s) additionally expressed in terms of the process ), especially for one of them or this one. As noted above, the observed processes serve a technical interest, often associated with other specific genes. This is, for example, in the case that a protein is to be produced to the gene for this protein and in the case that a low molecular weight compound is to be produced, by one or more gene products, which lie in the synthesis route of the compound in question or to regulate this. It may also be affected other genes of the cell, such as metabolic genes that must be increasingly formed in the course of product manufacture, such as a cell's own oxidoreductase, if the product is to be obtained from a starting material or an intermediate via oxidation or reduction.
Zudem werden für bestimmte biologische Prozesse, insbesondere die Bildung gewerblich relevanter Verbindungen durch Mikroorganismen in der Regel nicht die Wildtyp-Stämme eingesetzt, sondern solche, die auf den betreffenden Prozeß ausgerichtet sind. Hierzu gehört neben der Transformation mit den für die eigentliche Produktherstellung verantwortlichen Genen das Versehen mit Selektionsmarkem oder weitere Anpassungen des Stoffwechsels, bis hin zu Auxotrophien. Derartige Stämme besitzen ein besonderes Anforderungsprofil an die Wachstumsbedingungen und besitzen zum Teil Stoffwechselgene, die gegenüber den Wildtypgenen mutiert sind. Da erfindungsgemäße Chips vorteilhafterweise auf eben diese Stämme, ganz besonders den betrachteten Bioprozeß ausgerichtet sein sollen, sollten diese Stamm-spezifischen Eigenheiten berücksichtigt werden und können sich in der Wahl der betreffenden Sonden widerspiegeln.In addition, for certain biological processes, in particular the formation of commercially relevant compounds by microorganisms usually not the wild-type strains are used, but those that are geared to the process in question. In addition to the transformation with the genes responsible for the actual product production, this includes the addition of selection markers or further metabolic adjustments, as well as auxotrophies. Such strains have a particular requirement profile of the growth conditions and in part have metabolic genes mutated in relation to the wild-type genes. Since chips according to the invention should advantageously be aimed at precisely these strains, in particular the bioprocess under consideration, these strain-specific characteristics should be taken into account and may be reflected in the choice of the probes concerned.
In bevorzugten Ausführungsformen derartiger erfindungsgemäßer Nukleinsäure- bindender Chips handelt es sich bei dem prozeßbedingt zusätzlich exprimierten Gen um das für ein gewerblich einsetzbares Protein, insbesondere um eine Amylase, Cellulase, Lipase, Oxidoreduktase, eine Hemicellulase oder Protease, oder um eines, das auf einem Syntheseweg für eine niedermolekulare chemische Verbindung liegt oder diesen wenigstens zum Teil reguliert.In preferred embodiments of such nucleic acid-binding chips according to the invention, the additionally expressed gene for the process is that for a commercially useful protein, in particular an amylase, cellulase, lipase, oxidoreductase, hemicellulase or protease, or one which is synthesized for a low molecular weight chemical compound or at least partially regulated.
Diese sind dann besonders auf diejenigen Bioprozesse, vor allem Fermentationen ausgerichtet, in denen die genannten Proteine hergestellt werden. Bei diesen handelt es sich um kommerziell besonders wichtige Enzyme, die beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Waschmittelindustrie Verwendung finden. Im zuletztgenannten Fall insbesondere zur Entfernung von Anschmutzungen, die von Amylasen, Cellulasen, Lipasen, Hemicellulasen und/oder Proteasen hydrolysierbar sind, zur Behandlung der betreffenden Materialien, insbesondere durch Cellulasen beziehungsweise zur Bereitstellung eines auf einer Oxidoreduktase beruhenden enzymatischen Bleichsystems.These are then particularly geared to those bioprocesses, especially fermentations, in which the said proteins are produced. These are commercially particularly important enzymes, which are used for example in the food industry or the detergent industry. In the latter case, in particular for the removal of soils which are hydrolyzable by amylases, cellulases, lipases, hemicellulases and / or proteases, for the treatment of concerned materials, in particular by cellulases or to provide a based on an oxidoreductase enzymatic bleaching system.
Die zuletzt genannte Variante fällt in den Bereich der Biotransformation, wonach bestimmte, gegebenenfalls zusätzlich eingeführte Stoffwechselaktivitäten von Mikroorganismen zur Synthese chemischer Verbindungen ausgenutzt werden.The latter variant falls within the field of biotransformation, according to which certain metabolic activities of microorganisms, if introduced in addition, are exploited for the synthesis of chemical compounds.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips wird/werden eine, bevorzugt mehrere der im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung genannten Sonden einzelsträngig, in Form des codogenen Strangs bereitgestellt.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably several, of the probes mentioned in connection with the invention described here is / are provided in the form of the single-stranded strand in the form of the codogenic strand.
Diese Ausführungsform verfolgt das Ziel, die Hybridisierung zwischen der Sonde und der zu detektierenden Probe zu verbessern. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß aus der Probe tatsächlich der Gehalt an der relevanten mRNA bestimmt wird. Da diese einzelsträngig ist und in ihrer Sequenz mit dem codierenden Strang der DNA übereinstimmt, sollte eine optimale Hybridisierung mit dem komplementären, das heißt dem codogenen Strang erfolgen.This embodiment aims to improve the hybridization between the probe and the sample to be detected. This applies in particular to the case where the content of the relevant mRNA is actually determined from the sample. Since this is single-stranded and in its sequence matches the coding strand of the DNA, an optimal hybridization should be done with the complementary, that is the codogenic strand.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips wird/werden eine, bevorzugt mehrere der im Zusammenhang mit der hier beschriebenen Erfindung genannten Sonden einzelsträngig, in Form des codogenen Strangs bereitgestellt.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably several, of the probes mentioned in connection with the invention described here is / are provided in the form of the single-stranded strand in the form of the codogenic strand.
Diese Ausführungsform verfolgt das Ziel, die Hybridisierung zwischen der Sonde und der zu detektierenden Probe zu verbessern. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß aus der Probe tatsächlich der Gehalt an der relevanten mRNA bestimmt wird. Da diese einzelsträngig ist und in ihrer Sequenz mit dem codierenden Strang der DNA übereinstimmt, sollte eine optimale Hybridisierung mit dem komplementären, das heißt dem codogenen Strang erfolgen.This embodiment aims to improve the hybridization between the probe and the sample to be detected. This applies in particular to the case where the content of the relevant mRNA is actually determined from the sample. Since this is single-stranded and in its sequence matches the coding strand of the DNA, an optimal hybridization should be done with the complementary, that is the codogenic strand.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips wird/werden eine, bevorzugt mehrere der als erfindungsrelevant genannten Sonden in Form einer DNA oder eines Nukleinsäureanalogs, vorzugsweise eines Nukleinsäureanalogs zur Verfügung gestellt. Diese Ausführungsform verfolgt das Ziel, die Haltbarkeit und mehrmalige Verwendbarkeit der erfindungsgemäßen Chips zu verbessern. Dieses Bedürfnis ergibt sich insbesondere während eines einzelnen beobachteten Prozesses, in dessen Verlauf eine ständige Überwachung erstrebenswert ist. Die Haltbarkeit erfindungsgemäßer Chips, insbesondere gegenüber Nukleinsäure-hydrolysierenden Enzymen wird bereits durch die Bereitstellung der Sonden in Form einer DNA erhöht, da diese an sich weniger hydrolyseempfindlich als etwa eine RNA ist. Noch haltbarer sind Nukleinsäureanaloga, in denen beispielsweise das Phosphat des Zucker-Phosphatsrückgrats gegen einen chemisch anderen Baustein ersetzt ist, welcher beispielsweise durch natürliche Nukleasen nicht hydrolysierbar ist. Derartige Verbindungen sind prinzipiell im Stand der Technik bekannt und werden für gewünschte, jeweils anzugebende Sequenzen von hierauf spezialisierten Firmen auf Wunsch kommerziell synthetisiert. Die betreffenden Sonden sind etwa nach dem Vorbild der im Sequenzprotokoll angegebenen Seqzenzen zu synthetisieren.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably more, of the probes called relevant to the invention is / are provided in the form of a DNA or a nucleic acid analog, preferably a nucleic acid analog. This embodiment aims to improve the durability and multiple use of the chips of the invention. This need arises, in particular, during a single observed process during which constant monitoring is desirable. The durability of chips according to the invention, in particular with respect to nucleic acid-hydrolyzing enzymes, is already increased by the provision of the probes in the form of a DNA, since this per se is less susceptible to hydrolysis than, for example, an RNA. Even more durable are nucleic acid analogs in which, for example, the phosphate of the sugar phosphate backbone is replaced by a chemically different building block which is not hydrolyzable, for example, by natural nucleases. Such compounds are known in principle in the art and are commercially synthesized for desired, respectively to be given sequences of specialized companies on request. The relevant probes are to be synthesized on the model of the sequences given in the Sequence Listing.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips umfaßt/umfassen eine, bevorzugt mehrere der als erfindungsrelevant genannten Sonden Genbereiche, die von dem zu untersuchenden Organismus in mRNA umgeschrieben werden, insbesondere die Genbereiche, die nahe dem 5'-Ende der mRNA liegen.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one or more of the probes referred to as being relevant to the invention comprises gene regions which are transcribed into mRNA by the organism to be examined, in particular the gene regions which are close to the 5 'end of the mRNA.
Hiermit wird dem Aspekt Rechnung getragen, daß vielfach auch die regulatorischen DNA- Abschnitte einem speziellen Gen zugeordnet werden. In der Tat soll der erfindungsgemäße Chip jedoch dem Nachweis der in den beobachteten Zellen tatsächlich vorhandenen mRNA eingesetzt werden, so daß für den hier betrachteten Zweck erst der Genabschnitt von Bedeutung ist, der tatsächlich in mRNA übersetzt wird. Zum anderen ist zu berücksichtigen, daß insbesondere bei Eukaryonten Introns auftreten, das heißt der codierende Bereich von Abschnitten unterbrochen ist, die nicht in mRNA übersetzt werden. Sonden, die Introns enthalten, dürften deshalb nicht oder nur schlecht auf die betreffenden mRNA ansprechen. Zur Realisierung dieses Aspekts ist es ratsam, nicht auf genomische DNA-Sequenzen sondern auf cDNA-Seqenzen zurückzugreifen, das heißt auf solche, die anhand der tatsächlichen mRNA erhalten worden sind.This takes into account the fact that in many cases the regulatory DNA segments are also assigned to a specific gene. In fact, however, the chip according to the invention should be used to detect the mRNA actually present in the observed cells, so that for the purpose under consideration only the gene segment that is actually translated into mRNA is of importance. On the other hand, it must be taken into account that introns occur, in particular in the case of eukaryotes, ie the coding region is interrupted by sections which are not translated into mRNA. Probes containing introns are therefore unlikely to respond poorly to the mRNA in question. To realize this aspect, it is advisable not to resort to genomic DNA sequences, but to cDNA sequences, that is, those obtained from the actual mRNA.
Des weiteren ist zum Nachweis einer mRNA oft keine Hybridisierung über die ganze Seqzuenzlänge erforderlich. Die spezifischen Sonden brauchen deshalb in der Regel nur einen kleineren des in mRNA umgeschriebenen Gens zu umfassen. Vorteilhaft ist hierfür eine Auswahl eines Bereichs, der nahe dem 5'-Ende der mRNA liegt, da dieser zuerst in mRNA transkribiert wird und somit nach Aktivitierung des Gens als erstes nachweisbar ist. Dies kommt einem zeitnahen Nachweis entgegen.Furthermore, hybridization over the entire length of the sequence is often unnecessary to detect mRNA. The specific probes therefore usually only need to comprise a smaller of the transcribed into mRNA gene. It is advantageous for this a selection of a region that is close to the 5 'end of the mRNA, since this is first transcribed into mRNA and thus is the first detectable after activation of the gene. This is contrary to a timely proof.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips spricht/sprechen eine, bevorzugt mehrere der als erfindungsrelevant genannten Sonden auf Fragmente der betreffenden Nukleinsäuren an, insbesondere auf solche, die in der betreffenden mRNA, bezogen auf die jeweilige Gesamt-mRNA ein geringes Maß an Sekundärfaltung aufweisen.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one or more of the probes called relevant to the invention are / are responsive to fragments of the respective nucleic acids, in particular to those which have a low degree of secondary folding in the relevant mRNA, based on the respective total mRNA ,
Dies ist ein weiterer Aspekt, um die Hybridisierung zwischen den Sonden und den zu detektierenden mRNA zu optimieren. Denn mRNA-Moleküle liegen oft in einer Sekundärstruktur vor, die auf Hybridisierung einzelner mRNA-Bereiche mit eigenen, anderen Bereichen beruht. So kommt es beispielsweise zu Loop- oder Stem-Ioop- Strukturen. Solche Bereiche hybridisieren in der Regel jedoch weniger leicht mit anderen Nukleinsäuremolekülen, auch wenn diese homolog sind. Derartige Bereiche können recht genau von hierauf ausgerichteten Computerprogrammen (siehe unten) errechnet werden. Zur Realisierung dieses Aspekts sollte man also das Gen, dessen Aktivität man für einem interessierenden Organismus bestimmen möchte, von solch einem Programm analysieren lassen und zur Gewinnung einer geeigneten - in der Regel nur einen Teilbereich umfassenden (siehe unten) - Sonde auf Abschnitte zurückgreifen, für die ein nur geringes Maß an mRNA-Sekundärstrukturen vorhergesagt wird.This is another aspect to optimize hybridization between the probes and the mRNA to be detected. Because mRNA molecules are often present in a secondary structure, which is based on hybridization of individual mRNA regions with their own other areas. For example, it comes to loop or Stem-Ioop structures. However, such regions are generally less likely to hybridize to other nucleic acid molecules, even if they are homologous. Such areas can be calculated quite accurately from computer programs directed thereto (see below). In order to realize this aspect, one should analyze the gene whose activity one wishes to determine for an organism of interest from such a program and resort to sections for obtaining a suitable - usually only a subset (see below) - probe sections which predicts a low level of mRNA secondary structures.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips weist/weisen eine, bevorzugt mehrere der als erfindungsrelevant genannten Sonden eine Länge von zunehmend bevorzugt weniger als 200, 150, 125 oder 100 Nukleotiden, vorzugsweise von 20 bis 60 Nukleotiden, besonders bevorzugt von 45 bis 55 Nukleotiden auf.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, one, preferably more, of the probes called relevant to the invention has a length of increasingly preferably less than 200, 150, 125 or 100 nucleotides, preferably from 20 to 60 nucleotides, particularly preferably from 45 to 55 nucleotides on.
Denn die für die Nachweisreaktion eingesetzten Sonden brauchen nur Teile der zu detektierenden mRNA zu umfassen, sofern das über sie erhältliche Signal noch spezifisch genug ist. Diese Spezifität, die Unterscheidbarkeit verschiedener mRNA setzt die untere Grenze für die Länge der betreffenden Sonden und muß gegebenenfalls in Vorversuchen experimentell ermittelt werden. Die Identifizierung von geeigneten Sondenlängen und -Bereichen ist dem Fachmann an sich bekannt und wird normalerweise unter Zuhilfenahme spezialisierter Software durchgeführt. Beispiele für solche Software sind die Programme Array Designer der Fa. Premier Biosoft International, USA, und Vector NTI® Suite, V. 7, erhältlich von der Firma InforMax, Inc., Bethesda, USA. Neben den schon erwähnten Sekundärstrukturen berücksichtigen diese Softwareprogramme beispielsweise auch vorgegebene Sondenlängen sowie Schmelztemperaturen.Because the probes used for the detection reaction need only to include parts of the mRNA to be detected, if the signal available on them is still specific enough. This specificity, the distinctness of different mRNA sets the lower limit for the length of the respective probes and must be determined experimentally if necessary in preliminary experiments. The identification of suitable probe lengths and regions is known per se to the person skilled in the art and is normally carried out with the aid of specialized software. Examples of such software are the programs array designer of the company. Premier Biosoft International, USA, and Vector NTI ® Suite, V. 7, available from InforMax, Inc., Bethesda, USA. In addition to the secondary structures already mentioned, these software programs also take into account, for example, given probe lengths and melting temperatures.
In bevorzugten Ausführungsformen erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips wird durch die Bindung der mRNA an die betreffende als erfindungsrelevant genannte Sonde ein elektrisches Signal ausgelöst.In preferred embodiments of nucleic acid-binding chips according to the invention, an electrical signal is triggered by the binding of the mRNA to the probe in question as relevant to the invention.
In dem bereits erwähnten Artikel J. Wang (Acc. Chem. Res.; ISSN 0001-4842; Rec. Sept. 12, 2001 , S. A-F) werden die Vorteile eines elektrisch auswertbaren Systems gegenüber einem optischen System diskutiert. Ferner wird auf verschiedene im Stand der Technik entwickelte Ausführungsformen solcher Sensoren verwiesen.J. Wang (Acc Chem Res, ISSN 0001-4842, Rec., Sept. 12, 2001, pp. A-F) discusses the advantages of an electrically evaluable system over an optical system. Further reference is made to various embodiments of such sensors developed in the prior art.
So beträgt zum gegenwärtigen Zeitpunkt die Zeitspanne von der Probennahme bis zum Messen des Signals für optisch auswertbare Chips ungefähr 24 h. Mithilfe eines elektrischen Systems liegt der Zeitbedarf momentan bei weniger als 2 h (vergleiche Figur 1). Demgegenüber liegt die Zahl der gleichzeitig analysierbaren Proben bei elektrisch auswertbaren Chips derzeit im zweistelligen Bereich, wobei jedoch eine rasche Entwicklung dafür spricht, daß diese Größenordnung in Kürze überschritten werden kann. Limitierend hierfür sind die elektronischen Auswerte-Einheiten für die verschiedenen Signale.Thus, at the present time, the time from sampling to measuring the signal for optically analyzable chips is about 24 hours. Using an electrical system, the time required is currently less than 2 h (see Figure 1). In contrast, the number of simultaneously analyzable samples in electrically analyzable chips is currently in the double digits, but a rapid development suggests that this magnitude can be exceeded soon. Limiting this are the electronic evaluation units for the various signals.
Eine im Stand der Technik etablierte Methode zur mRNA-Quantifizierung stellt beispielsweise die RT-PCT dar. Diese wird in dem Artikel „Quantification of Bacterial mRNA by One-Step RT-PCR Using the LightCycler System" (2003) von S.Tobisch, T.Koburger, B.Jürgen, S.Leja, M. Hecker und T.Schweder in BIOCHEMICA, Band 3, Seiten 5 bis 8 beschrieben. Demgegenüber besitzt die Detektion über Elektro-Chips einen weiteren Vorteil, nämlich die höhere Zuverlässigkeit der Daten, da diese gegenüber der RT-PCR deutlich geringere Schwankungsbreiten aufweisen.A method for mRNA quantification established in the prior art is, for example, RT-PCT. This is described in the article "Quantification of Bacterial mRNA by One-Step RT-PCR Using the LightCycler System" (2003) by S.Tobisch, T Koburger, B. Jürgen, S. Léja, M. Hecker and T. Schweder in BIOCHEMICA, Volume 3, pages 5 to 8. In contrast, the detection of electrical chips has another advantage, namely the higher reliability of the data these have significantly lower fluctuation ranges compared to the RT-PCR.
Die Herstellung entsprechender elektronisch auswertbarer Chips wird beispielsweise in den Patentanmeldungen WO 00/62048 A2, WO 00/67026 A1 und WO 02/41992 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt vollständig in die vorliegende Anmeldung einbezogen wird.The production of corresponding electronically evaluable chips is described, for example, in the patent applications WO 00/62048 A2, WO 00/67026 A1 and WO 02/41992 whose disclosure content is fully incorporated into the present application.
Die Funktionsweise elektrisch auslesbarer Chips einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann wie folgt beschrieben werden: Die genspezifischen Sonden sind auf an sich bekannte Weise kovalent an magnetische Beads gebunden, die sich in hierfür vorgesehenen Kammern der Chips befinden. Die spezifische Hybridisierung der entsprechenden mRNA an die jeweiligen Beads erfolgt in dieser Hybridisierungskammer, die temperierbar ist und von den betreffenden Lösungen durchspült werden kann. Die Beads werden in dieser Kammer durch einen Magneten festgehalten. Nach der Hybridisierung der RNA-Proben an die Beads-gebundenen DNA-Sonden erfolgt ein Waschschritt zur Beseitigung der nicht-gebundenen RNA, so daß in der Inkubationskammer nur noch spezifische Hybride vorhanden sind, und zwar gebunden an den magetischen Beads.The mode of operation of electrically readable chips of a particularly preferred embodiment can be described as follows: The gene-specific probes are covalently bonded in a manner known per se to magnetic beads which are located in chambers of the chips provided for this purpose. The specific hybridization of the corresponding mRNA to the respective beads takes place in this hybridization chamber, which can be tempered and can be flushed through by the solutions in question. The beads are held in this chamber by a magnet. After hybridization of the RNA samples to the beads-bound DNA probes, a washing step is carried out to remove the unbound RNA so that only specific hybrids are still present in the incubation chamber, bound to the magnetic beads.
Nach dem Waschen wird eine Detektionssonde in die Inkubationskammer eingeleitet, die über eine Biotin-Extravidin-gebundene alkalische Phosphatase markiert ist. Diese Sonde bindet an eine zweite freie Region der hybridisierten mRNA. Dieses Hybrid wird anschließend erneut gewaschen und mit dem Substrat der alkalischen Phosphatase Para-Aminophenolphosphat (pAPP) inkubiert. Die enzymatische Reaktion in der Inkubationskammer führt zur Freisetzung des redoxaktiven Produkts para-Aminophenol (pAP). Dieses wird nun über den Red/Ox-Elektrode auf dem elektrischen Chip geleitet und das Signal zu einem Potentiostaten gesendet.After washing, a detection probe is introduced into the incubation chamber labeled with a biotin extravidin-linked alkaline phosphatase. This probe binds to a second free region of the hybridized mRNA. This hybrid is then washed again and incubated with the substrate of the alkaline phosphatase para-aminophenol phosphate (pAPP). The enzymatic reaction in the incubation chamber leads to the release of the redox-active product para-aminophenol (pAP). This is now passed over the Red / Ox electrode on the electrical chip and sent the signal to a potentiostat.
Eine System-spezifische Software (zum Beispiel MCDDE32) liest die erhaltenen Daten und die Ergebnisse können mit Hilfe eines weiteren Programms (zum Beispiel Origin) auf einem Computer ausgewertet und dargestellt werden.System-specific software (for example MCDDE32) reads the data obtained and the results can be evaluated and displayed on another computer using another program (for example, Origin).
Selbstverständlich ist dieser Prozeß sowohl hinsichtlich der technischen Gestaltung der Chips als auch der Auswertung variierbar. So kann beispielsweise die Nachweisreaktion auch durch eine andere, wegen des elektrischen Meßprinzips vorzugsweise jedoch eine Redoxreaktion erfolgen.Of course, this process is variable both in terms of the technical design of the chips and the evaluation. For example, the detection reaction can also be carried out by another, but preferably a redox reaction because of the electrical measuring principle.
Eine Leistung der vorliegenden Erfindung besteht darin, Phosphatstoffwechsel- spezifische und insofern prozeßkritische Gene identifiziert und der Analyse über entsprechend gestaltete Biochips zugänglich gemacht zu haben. Der Vorteil von Chips gegenüber konventionellen Nachweismethoden besteht neben dem Zeitgewinn und der höheren Genauigkeit darin, daß mit der Bereitstellung mehrerer Sonden auf einem Träger gleichzeitig in derselben Probe die Aktivitäten von mehreren verschiedenen Genen nachgewiesen werden können und bei der hier beschriebenen Anwendung auf ein spezielles Problem ein solideres und detaillierteres Bild ergeben können, beispielsweise hisichtlich des Zeitpunkts, zu dem ein Phosphatmangel eingetreten ist.It is an object of the present invention to have identified phosphate metabolism-specific and therefore process-critical genes and made them available for analysis via correspondingly designed biochips. The advantage of chips Compared to conventional detection methods, in addition to gaining time and accuracy, with the provision of multiple probes on one support simultaneously in the same sample, the activities of several different genes can be detected and a more solid and detailed picture as described herein for a specific problem for example, the time at which a phosphate deficiency occurred.
Ein eigener Erfindungsgegenstand ist somit die gleichzeitige Verwendung von Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Analogon-Sonden für mindestens drei der folgenden 47 Gene: yhcR, tatCD, ctaC, Gen für eine vermutliche Acetoin-Reductase (Homolog zu SEQ ID NO. 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten- spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, gebunden an einen Nukleinsäure-bindenden Chip, vorzugsweise an denselben, zur Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus.A separate subject of the invention is thus the simultaneous use of nucleic acid or nucleic acid analog probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a presumptive acetoin reductase (homolog to SEQ ID NO. 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, a hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE, a conserved hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO: 59), yurl, spoVID, a presumptive aromatic gene specific dioxygenase (homologue to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homologue to SEQ ID NO: 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO: 63) , spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF , alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde-De hydrogenase DhaS; Homolog to SEQ ID NO. 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, bound to a nucleic acid-binding chip, preferably to the same, for determination of physiological State of a biological process going through an organism.
Wie oben erläutert sind diese 47 Gene so ausgewählt, daß sie ein Bild über die Situation des Phosphatstoffwechels des betrachteten Organismus liefern, weil sie wie in den Beispielen 1 bis 3 beschrieben bei dem Übergang des grampositiven Bakteriums ß. licheniformis in den Phosphatmangelzustand signifikant und vergleichsweise spezifisch induziert werden. Eine vergleichbare Aussage ist auch für andere Organismen zu erwarten, die über die homologen Gene beziehungsweise Proteine mit im wesentlichen denselben stoffwechselrelevanten Eigenschaften verfügen.As explained above, these genes are selected so as to provide an idea of the situation of the phosphate metabolism of the organism under consideration because they are involved in the transition of the Gram-positive bacterium, β, as described in Examples 1 to 3. licheniformis in the phosphate deficient state significantly and comparatively specific induced. A similar statement is to be expected for other organisms that have the homologous genes or proteins with essentially the same metabolism-relevant properties.
Wie ebenfalls bereits ausführlich beschrieben, können derartige Genaktivitäten prinzipiell auf verschiedene Arten bestimmt werden, beispielsweise durch Northern-Hybridisierung. Die Analyse mithilfe eines Nukleinsäure-bindenden Chip, insbesondere eines oben beschriebenen, eröffnet jedoch die Möglichkeit, auf sehr effiziente Weise gleichzeitig mehrere Genaktivitäten zu bestimmen und dies zudem sehr zeitnah. Dadurch können die Stoffwechselveränderungen eines Organismus, der einen biologischen Prozeß durchläuft, zeitnah beobachtet und gegebenenfalls regulatorisch eingegriffen werden.As already described in detail, such gene activities can in principle be determined in various ways, for example by Northern hybridization. The analysis using a nucleic acid-binding chip, in particular one described above, however, offers the possibility to determine several gene activities in a very efficient manner at the same time and very promptly. As a result, the metabolic changes of an organism undergoing a biological process can be monitored promptly and, if necessary, intervened by regulatory means.
Die oben gemachten Ausführungen zu Nukleinsäure-bindenden Chips gelten für die hier bezeichneten Verwendungen der betreffenden Sonden entsprechend.The statements made above on nucleic acid-binding chips apply correspondingly to the uses of the probes described here.
Vorzugsweise handelt es sich dabei dementsprechend um solche Verwendungen, wobei die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel-spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100 liegt.Accordingly, these are preferably such uses, wherein the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100.
Zunehmend bevorzugt ist es, wenn die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel- spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 oder 50 liegt, wobei wiederum Positiv-Kontrollen aus dem sonstigen Phosphatstoffwechsel eingeschlossen sind.It is increasingly preferred that the total number of all phosphate metabolism-specific different probes does not exceed 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55 or 50, again including positive controls from the other phosphate metabolism.
Weiterhin bevorzugt handelt es sich dabei dementsprechend um solche Verwendungen, wobei die zuvor als erfindungsgemäß angegebenen Sonden in der zuvor als bevorzugt angegebenen Reihenfolge (umgekehrt zur Reihenfolge in Tabelle 3) zunehmend bevorzugt eingesetzt werden.Accordingly, these are also preferably uses where the probes previously indicated as being in accordance with the invention are increasingly preferably used in the sequence previously indicated as preferred (inversely to the order in Table 3).
Entsprechend den oben gemachten Ausführungen sind folgende der soeben bezeichneten Verwendungen von Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Analogon-Sonden zunehmend bevorzugt:According to the statements made above, the following uses of nucleic acid or nucleic acid analog probes just mentioned are increasingly preferred:
- Verwendung, wobei mindestens drei der Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Analogon- Sonden für Gene aus den folgenden 39 Genen spezifisch ist/sind: Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC;Use, wherein at least three of the nucleic acid or nucleic acid analogue probes are specific for genes from the following 39 genes: gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE, conserved gene hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, gene for a probable aromatic-specific dioxygenase (homolog to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homolog to SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homolog to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a presumptive decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spoll AB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO. 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC;
- hierunter vorzugsweise für mindestens drei der folgenden 14 Gene: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC;preferably including at least three of the following genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS, homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC;
- hierunter besonders bevorzugt für mindestens drei der folgenden 8 Gene: phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC; und- Of these, particularly preferred for at least three of the following 8 genes: phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC; and
- hierunter ganz besonders bevorzugt für mindestens eines der folgenden 3 Gene: phoB, yvnA, yvmC.- Of these, very particularly preferred for at least one of the following 3 genes: phoB, yvnA, yvmC.
Entsprechend dem oben Gesagten handelt es sich vorzugsweise um erfindungsgemäße Verwendungen von gleichzeitig mindestens 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 , 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 oder 47 der genannten Sonden.In accordance with the above, it is preferable to use according to the invention at least 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 or 47 of said probes.
Entsprechend dem oben Gesagten handelt es sich vorzugsweise um erfindungsgemäße Verwendungen, wobei die Gesamtzahl aller unterschiedlichen Sonden zunehmend bevorzugt nicht über 100, 95, 90, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 40, 30, 20 oder 10 liegt.In accordance with the above, they are preferably uses according to the invention, wherein the total number of all different probes is increasingly preferably not more than 100, 95, 90, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 40, 30, 20 or 10 ,
Entsprechend dem oben Gesagten handelt es sich weiterhin bevorzugt um erfindungsgemäße Verwendungen zur Bestimmung einer Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus, vorzugsweise zur Detektion eines Phosphatmangelzustands.According to the above, it is furthermore preferable to use according to the invention for determining a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process, preferably for the detection of a phosphate deficiency state.
Entsprechend dem oben Gesagten handelt es sich weiterhin bevorzugt um erfindungsgemäße Verwendungen, wobei mindestens eine, zunehmend bevorzugt mehrere der genannten Sonden von den Sequenzen abgeleitet ist/sind, die im Sequenzprotokoll unter den Nummern SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 13, 15, 17, 19, 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33, 35, 37, 39, 41 , 43, 45, 47, 49, 51 , 53, 55, 57, 59, 61 , 63, 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91 und 93 aufgeführt sind. Einen eigenen Erfindungsgegenstand bilden Verfahren der Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus durch Einsatz eines erfindungsgemäßen Nukleinsäure-bindenden Chips.In accordance with the above, it is furthermore preferred to use according to the invention, wherein at least one, more preferably more of the said probes are / is derived from the sequences which are listed in the sequence listing under the numbers SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91 and 93 are listed. A separate subject of the invention are methods of determining the physiological state of an organism passing through a biological process by using a nucleic acid-binding chip according to the invention.
Diese Verfahren sehen prinzipiell so aus, daß während des Prozesses und ohne ihn zu unterbrechen, Proben des betrachteten Organismus entnommen und daraus die mRNA isoliert werden. Diese oder gegebenenfalls hiervon abgleitete Verbindungen wie beispielsweise cDNA werden über einen oben beschriebenen Nukleinsäure-bindenden Chip geleitet, welcher unter Berücksichtigung der oben angegebenen Verfahrensschritte - wie etwa ausreichende Inkubationszeit oder Abwaschen unspezifisch bindender Nukleinsäuren - behandelt und schließlich dem Detektionsgerät zugeführt wird. Solch ein Verfahrensprotokoll ist anhand des Beispiels elektrisch auswertbarer Chips prinzipiell in Figur 1 dargestellt.These procedures are in principle such that during the process and without interrupting it, taken samples of the observed organism and isolated from the mRNA. These or optionally derived therefrom compounds such as cDNA are passed over a nucleic acid-binding chip described above, which, taking into account the above-mentioned process steps - such as sufficient incubation time or washing off unspecifically binding nucleic acids - treated and finally fed to the detection device. Such a method protocol is illustrated in principle by the example of electrically evaluable chips in FIG.
Die oben gemachten Ausführungen zu Nukleinsäure-bindenden Chips gelten für die hier bezeichneten Verfahren der Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus entsprechend.The statements made above on nucleic acid-binding chips apply correspondingly to the methods described herein for the determination of the physiological state of an organism passing through a biological process.
Vorzugsweise handelt es sich um erfindungsgemäße Verfahren, wobei eine Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus bestimmt wird, vorzugsweise ein Phosphatmangelzustand.Preferably, it is process according to the invention, wherein a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process is determined, preferably a phosphate deficiency state.
Denn bezüglich dieses Einsatzgebiets sind die in den Beispielen beschriebenen und oben aufgeführten Gene ausgewählt worden. Ihre signifikante Induktion geht zumindest bei ß. licheniformis mit dem Eintreten eines Phosphatmangelzustands einher, so daß diese mit den genannten Verfahren besonders zuverlässig detektiert werden können, und zwar nicht nur bei B. licheniformis sondern mit zunehmend besseren Erfolgsaussichten auch bei zunehmend verwandten Spezies (siehe oben). Zudem stellt diese Stoffwechselsituation im Lebenszyklus vieler Mikroorganismen einen kritischen Zeitpunkt dar. So war wie in den Beispielen erläutert mit dem jeweiligen Eintritt des Phosphatmangels immer auch ein Übergang in die stationäre Wachstumsphase verbunden. Verfahren, die diesen Zeitpunkt frühzeitig zu erkennen helfen, dienen dazu, diesen Übergang zu verzögern und insbesondere bei großtechnisch genutzten Fermentationen die Phase der Produktion eines Wertstoffs zu verlängern. Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien handelt.Because with respect to this application, the genes described in the examples and listed above have been selected. Their significant induction goes at least at ß. licheniformis associated with the occurrence of a phosphate deficient state, so that they can be detected with the above methods particularly reliable, not only in B. licheniformis but with increasingly better prospects of success even in increasingly related species (see above). In addition, this metabolic situation represents a critical point in the life cycle of many microorganisms. Thus, as explained in the examples, the transition to the stationary growth phase was always associated with the respective onset of phosphate deficiency. Procedures that help to detect this point in time serve to delay this transition and to extend the phase of the production of a valuable material, especially for large-scale fermentations. According to the above, such methods according to the invention are preferred, wherein the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
Entsprechend dem oben Gesagten sind hierunter solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze handelt, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.According to the above, such methods according to the invention are preferred among them, wherein the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
Entsprechend dem oben Gesagten sind darunter auch solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus handelt, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus,According to the above, such methods according to the invention are also preferred, whereby the Gram-positive bacteria are Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular of the species Staphylococcus carnosus,
Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder B. lentus, und ganz besonders um B. licheniformis.Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and especially B. licheniformis.
Entsprechend dem oben Gesagten sind darunter auch solche erfindungsgemäßen Verfahren nicht minder bevorzugt, wobei es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella handelt, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM 109, E. coli XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).According to the above, such methods according to the invention are no less preferred, the gram-negative bacteria being those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and whole especially derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei solche der genannten Sonden zum Einsatz kommen, die von den im Sequenzprotokoll angegebenen SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 25, 29, 31 , 33, 37, 43, 45, 49, 51 , 53, 55, 59, 61 , 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 oder 93 abgeleitet sind.In accordance with the above, such methods according to the invention are preferred, those of the named probes being used which are of the SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 25, 29, 31, 33, 37, 43, 45, 49, 51, 53, 55, 59, 61, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 81, 83, 85, 87, 89, 91 or 93 are derived.
Hierunter sind wiederum diejenigen Verfahren bevorzugt, bei denen die hier genannten Sonden für die zuvor aufgeführten grampositiven Bakterien, insbesondere B. licheniformis eingesetzt werden, da diese Sequenzen aus eben diesem Organismus isoliert worden sind und somit am erfolgreichsten auf diese Spezies angewendet werden können. Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei die Bestimmung des physiologischen Zustands zu verschiedenen Zeitpunkten desselben Prozesses durchgeführt wird, vorzugsweise unter Einsatz mehrerer baugleicher Nukleinsäure-bindender Chips, besonders bevorzugt desselben Nukleinsäure-bindenden Chips.Among these, in turn, those methods are preferred in which the probes mentioned here are used for the Gram-positive bacteria listed above, in particular B. licheniformis, since these sequences have been isolated from this very organism and thus can be used most successfully on these species. According to the above, such methods according to the invention are preferred, wherein the determination of the physiological state is carried out at different times of the same process, preferably using a plurality of identically constructed nucleic acid-binding chips, particularly preferably the same nucleic acid-binding chip.
Entsprechend dem oben Gesagten sind weiterhin solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei dem Prozeß um eine Fermentation, insbesondere um die fermentative Herstellung eines gewerblich einsetzbaren Produkts, besonders bevorzugt um die Herstellung eines Proteins oder einer niedermolekularen chemischen Verbindung handelt.According to the above, such processes according to the invention are furthermore preferred, the process being a fermentation, in particular the fermentative production of a commercially useful product, more preferably the production of a protein or a low-molecular-weight chemical compound.
Entsprechend dem oben Gesagten sind hierunter solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei der niedermolekularen chemischen Verbindung um einen Naturstoff, einen Nahrungsmittelergänzungsstoff oder um eine pharmazeutisch relevante Verbindung handelt.According to the above, such methods according to the invention are preferred, wherein the low-molecular chemical compound is a natural substance, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
Entsprechend dem oben Gesagten sind alternativ auch solche erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt, wobei es sich bei dem Protein um ein Enzym handelt, insbesondere eines aus der Gruppe der α-Amylasen, Proteasen, Cellulasen, Lipasen, Oxidoreduktasen, Peroxidasen, Laccasen, Oxidasen und Hemicellulasen.According to the above, such methods according to the invention are alternatively preferred, wherein the protein is an enzyme, in particular one from the group of α-amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
Einen eigenständigen Erfindungsgegenstand stellen auch die Verwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Nukleinsäure-bindender Chips, wie sie oben eingehend beschrieben sind, zur Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus dar.An independent subject of the invention is also the possible uses of nucleic acid-binding chips according to the invention, as described in detail above, for determining the physiological state of an organism passing through a biological process.
Die oben gemachten Ausführungen zu Nukleinsäure-bindenden Chips gelten für die hier bezeichneten Verwendungen der Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus entsprechend.The statements made above on nucleic acid-binding chips apply correspondingly to the uses described herein for determining the physiological state of an organism passing through a biological process.
Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei eine Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus bestimmt wird, vorzugsweise ein Phosphatmangelzustand. Entsprechend dem oben Gesagten sind weiterhin solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien handelt.According to the above, such uses according to the invention are preferred, wherein a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process is determined, preferably a phosphate deficient state. According to the above, such uses according to the invention are furthermore preferred, wherein the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
Entsprechend dem oben Gesagten sind hierunter solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze handelt, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.According to the above, such uses according to the invention are preferred, the unicellular eukaryotes being protozoa or fungi, in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
Entsprechend dem oben Gesagten sind alternativ hierzu solche erfindungsgemäßen Verwendungen nicht minder bevorzugt, wobei es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus handelt, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder B. lentus, und ganz besonders um ß. licheniformis.According to the above, such uses according to the invention are alternatively no less preferred, the Gram-positive bacteria being Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and more particularly β. licheniformis.
Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verwendungen nicht minder bevorzugt, wobei es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella handelt, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. CO// XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).According to the above, such uses according to the invention are no less preferred, the Gram-negative bacteria being those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and more particularly Derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. CO // XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei solche der genannten Sonden zum Einsatz kommen, die von den im Sequenzprotokoll angegebenen SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 15, 19, 23, 25, 29, 31 , 33, 37, 43, 45, 49, 51 , 53, 55, 59, 61 , 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 oder 93 abgeleitet sind.In accordance with the above, such uses according to the invention are preferred using those of said probes which are of the SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 25, 29, 31, 33, 37, 43, 45, 49, 51, 53, 55, 59, 61, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 81, 83, 85, 87, 89, 91 or 93 are derived.
Hierunter sind wiederum aus dem bereits genannten Grund diejenigen Verwendungen bevorzugt, bei denen die hier genannten Sonden für die zuvor aufgeführten grampositiven Bakterien, insbesondere B. licheniformis eingesetzt werden. Entsprechend dem oben Gesagten sind solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei die Bestimmung des physiologischen Zustande zu verschiedenen Zeitpunkten desselben Prozesses durchgeführt wird, vorzugsweise unter Einsatz mehrerer baugleicher Nukleinsäure-bindender Chips, besonders bevorzugt desselben Nukleinsäure-bindenden Chips.Among these, again, for the reason already mentioned, those uses are preferred in which the probes mentioned here are used for the previously mentioned Gram-positive bacteria, in particular B. licheniformis. According to the above, such uses according to the invention are preferred, wherein the determination of the physiological state is carried out at different times of the same process, preferably using a plurality of identically constructed nucleic acid-binding chips, particularly preferably the same nucleic acid-binding chip.
Entsprechend dem oben Gesagten sind weiterhin solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei es sich bei dem Prozeß um eine Fermentation, insbesondere um die fermentative Herstellung eines gewerblich einsetzbaren Produkts, besonders bevorzugt um die Herstellung eines Proteins oder einer niedermolekularen chemischen Verbindung handelt.According to the above, such uses according to the invention are furthermore preferred, the process being a fermentation, in particular the fermentative production of a commercially useful product, more preferably the production of a protein or a low-molecular chemical compound.
Entsprechend dem oben Gesagten sind hierunter solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei es sich bei der niedermolekularen chemischen Verbindung um einen Naturstoff, einen Nahrungsmittelergänzungsstoff oder um eine pharmazeutisch relevante Verbindung handelt.According to the above, such uses according to the invention are preferred, wherein the low-molecular chemical compound is a natural substance, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
Entsprechend dem oben Gesagten sind alternativ dazu solche erfindungsgemäßen Verwendungen bevorzugt, wobei es sich bei dem Protein um ein Enzym handelt, insbesondere eines aus der Gruppe der α-Amylasen, Proteasen, Cellulasen, Lipasen, Oxidoreduktasen, Peroxidasen, Laccasen, Oxidasen und Hemicellulasen.According to the above, such uses according to the invention are alternatively preferred, wherein the protein is an enzyme, in particular one from the group of α-amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
Der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich durch die nachfolgenden Beispiele erläutert. The present invention is further illustrated by the following examples.
BeispieleExamples
Alle molekularbiologischen Arbeitsschritte folgen Standardmethoden, wie sie beispielsweise in dem Handbuch von Fritsch, Sambrook und Maniatis „Molecular cloning: a laboratory manual", CoId Spring Harbour Laboratory Press, New York, 1989, oder vergleichbaren einschlägigen Werken angegeben sind. Enzyme und Baukästen (Kits) werden nach den Angaben der jeweiligen Hersteller eingesetzt.All molecular biology procedures are followed by standard methods as described, for example, in the Handbook of Fritsch, Sambrook and Maniatis "Molecular Cloning: a Laboratory Manual", CoId Spring Harbor Laboratory Press, New York, 1989, or similar pertinent works ) are used according to the specifications of the respective manufacturer.
Beispiel 1example 1
Identifizierung der Gensonden durch ChipanalysenIdentification of gene probes by chip analysis
Kultivierung von Bakterien und ProbengewinnungCultivation of bacteria and sample collection
Zellen des Stamms Bacillus licheniformis DSM13 (erhältlich von der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH, Mascheroder Weg 1b, 38124 Braunschweig; http://www.dsmz.de) wurden in Phosphat-Iimitiertem, synthetischem Belitsky-Minimalmedium (0,28 mM Endkonzentration) bei 37°C unter konstantem Schütteln bei 270 rpm kultiviert. Dieses Medium weist folgende Zusammensetzung auf: (1.) Grundmedium (pH 7,5): 0,015 M (NH4)2SO4, 0,008 M MgSO4 x 7H2O, 0,027 M KCl, 0,007 M Na3Citrat x 2H2O, 0,050 M Tris-HCI und 0,009 M Glutaminsäure; (2.) Supplemente: 0,2 M KH2PO4, 0,039 M L-Tϊyptophan-HCL, 1 M CaCI2 x 2H2O, 0,0005 M FeSO4 x 7H2O, 0,025 M MnSO4 x 4H2O und 20% (w/v) Glukose; und als (3.) Mediumsupplementierungsschema: 0,14 ml KH2PO4, 0,2 ml CaCI2, 0,2 ml FeSO4, 0,04 ml MnSO4, 1 ml Glukose. Alle Werte sind beziehen sich auf 100 ml Grundmedium.Cells of the strain Bacillus licheniformis DSM13 (available from the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH, Mascheroder Weg 1b, 38124 Braunschweig, Germany) were synthesized in phosphate-limited, synthetic Belitsky minimal medium (0.28 mM Final concentration) at 37 ° C with constant shaking at 270 rpm. This medium has the following composition: (1.) Base medium (pH 7.5): 0.015 M (NH 4 ) 2 SO 4 , 0.008 M MgSO 4 × 7H 2 O, 0.027 M KCl, 0.007 M Na 3 citrate × 2H 2 O, 0.050 M Tris-HCl and 0.009 M glutamic acid; (2) Supplements: 0.2 M KH 2 PO 4 , 0.039 M L-Tϊyptophan-HCL, 1 M CaCl 2 × 2H 2 O, 0.0005 M FeSO 4 × 7H 2 O, 0.025 M MnSO 4 × 4H 2 O and 20% (w / v) glucose; and as (3) medium supplementation scheme: 0.14 ml KH 2 PO 4 , 0.2 ml CaCl 2 , 0.2 ml FeSO 4 , 0.04 ml MnSO 4 , 1 ml glucose. All values are based on 100 ml of basal medium.
Im Verlauf der Wachstumskurve wurden bei einer optischen Dichte bei 500 nm (OD50o) von 0,4 bis 0,5 die Kontrollprobe und in der transienten Wachstumsphase bei einer OD50O von 0,8 bis 0,9 eine weitere Probe („Übergang") entnommen. Das oben angegebene Supplementierungsschema für das Belitzky-Minimalmedium ist so eingestellt, daß ab einer OD50O von 0,8 bis 1 ,0 Phosphatmangel eintritt und somit die stationäre Phase eingeleitet wird. Weitere Probennahmen erfolgten nach weiteren 30, 60 und 120 min. Die Proben wurden nach Entnahme sofort mit demselben Volumen, auf 00C gekühlten Killing Puffer (20 mM NaN3; 20 mM Tris-HCI, pH 7,5; 5 mM MgCI2) versetzt. Nach sofortigem Abzentrifugieren des Zellpellets für 5 min bei 4°C und 15.000 rpm wurde der Überstand verworfen und das Pellet entweder bei -8O0C eingefroren oder sofort weiter aufgearbeitet. ZellaufschlußIn the course of the growth curve, at an optical density of 500 nm (OD 50 o) of 0.4 to 0.5, the control sample and in the transient growth phase at an OD 50O of 0.8 to 0.9 another sample ("transition The above-mentioned supplementation scheme for the Belitzky minimal medium is adjusted such that from an OD 50 O of 0.8 to 1, 0 phosphate deficiency occurs and thus the stationary phase is introduced further samples were taken after another 30, 60 and 120 min The samples were immediately removed with the same volume of Killing buffer cooled to 0 ° C. (20 mM NaN 3 , 20 mM Tris-HCl, pH 7.5, 5 mM MgCl 2 ), after immediate removal by centrifugation of the cell pellet The supernatant was discarded for 5 min at 4 ° C and 15,000 rpm and the pellet either frozen at -8O 0 C or immediately worked up further. cell disruption
Der Zellaufschluß erfolgte mit dem „Hybaid RiboLyser™ Cell Disruptor" (Fa. Thermo Electron Corporation, Dreieich, Deutschland). Diese Methode basiert auf der mechanischen Zerstörung der Zellwand und der Zellmembran mit Hilfe von ca. 0,1 mm kleinen Glasperlen (Fa. Sartorius BBI, Melsungen, Deutschland). Die aufzuschließenden Zellen, die zuvor in Lysis-Puffer Il (3 mM EDTA; 200 mM NaCI) resuspendiert worden waren, wurden zusammen mit den Glasperlen in ein Glas- (Stammhaltungs-)röhrchen gegeben. Zusätzlich wurde saures Phenol dazugegeben, um die Degradation der RNA durch RNasen zu vermeiden. Dieses Röhrchen wurde daraufhin in den RiboLyser eingespannt, wobei unter starkem Schütteln die Glassperlen mit den Zellen kollidierten, was den Zellaufschluß bewirkte.The cell disruption was carried out with the "Hybaid RiboLyser ™ Cell Disruptor" (Thermo Electron Corporation, Dreieich, Germany) .This method is based on the mechanical destruction of the cell wall and the cell membrane with the aid of approximately 0.1 mm small glass beads (Fa. Sartorius BBI, Melsungen, Germany) The cells to be disrupted, which had previously been resuspended in lysis buffer II (3 mM EDTA, 200 mM NaCl), were placed together with the glass beads in a glass (stem) tube acidic phenol was added to prevent RNA degradation by RNases, which was then clamped into the RiboLyser, shaking vigorously with the glass beads colliding with the cells, causing cell disruption.
Gesamt-RNA-IsolierungTotal RNA isolation
Nach dem Zellaufschluß wird die RNA-haltige wäßrige Phase durch Zentrifugation von den Protein- und Zellfragmenten, der chromosomalen DNA und den Glassperlen getrennt und daraus die RNA mit Hilfe des Geräts KingFisher ml_ (Fa. Thermo Electron Corporation, Dreieich, Deutschland) unter Verwendung des MagNA Pure LC RNA Isolation Kit I (Fa. Roche Diagnostics, Penzberg, Deutschland) isoliert. Diese Aufreinigung basiert auf der Bindung der RNA an magnetische Glaspartikel in der Gegenwart von chaotropen Salzen, welche auch die Inaktivierung von RNasen bewirken. Dabei dienen die magnetischen Partikel als Transportmittel der RNA zwischen verschiedenen Reaktionsgefäßen, die mit Bindungs-, Wasch- und Elutionspuffem befüllt sind. Der hierfür genutzte KingFisher mL ist eine Art Pipettierroboter, der mit Hilfe von Magneten die Partikel mit der gebundenen RNA zwischen den Gefäßen hin- und hertransportiert und auch zum Mischen der Proben genutzt wird. Abschließend wird die RNA von den magnetischen Partikeln gelöst und liegt gereinigt vor.After the cell disruption, the RNA-containing aqueous phase is separated from the protein and cell fragments, the chromosomal DNA and the glass beads by centrifugation and the RNA is purified therefrom by means of the KingFisher ml_ apparatus (Thermo Electron Corporation, Dreieich, Germany) using the apparatus MagNA Pure LC RNA Isolation Kit I (Roche Diagnostics, Penzberg, Germany). This purification is based on the binding of the RNA to magnetic glass particles in the presence of chaotropic salts, which also cause the inactivation of RNases. The magnetic particles serve as a means of transport of RNA between different reaction vessels, which are filled with binding, washing and Elutionpuffem. The KingFisher mL used for this purpose is a kind of pipetting robot that uses magnets to transport the particles with the bound RNA between the vessels and also to use them for mixing the samples. Finally, the RNA is released from the magnetic particles and is purified.
RNA-Qualitäts- und -QuantitätskontrolleRNA quality and quantity control
An die Aufreinigung der RNA schließt sich die Qualitäts- und Quantitätskontrolle an. Der hierfür genutzte Apparat Agilent Bioanalyzer 2100 (Fa. Agilent Technologies, Berlin, Deutschland) ermöglicht die Analyse von RNA im Lab-on-a-Chip-Maßstaß. Zusammen mit dem „RNA 6000 Nano Kit" von Agilent wird die Gesamt-RNA gelelektrophoretisch aufgetrennt und bietet somit die Möglichkeit der Untersuchung der Qualität in Hinblick auf Teilabbau und Verunreinigungen. Hierbei wird ribosomale RNA (16 S- und 23 S-rRNA) detektiert. Stellen diese sich als klare Banden dar, kann man davon ausgehen, daß die RNA im Verlauf der Bearbeitung nicht abgebaut wurde und somit intakt ist und in die nachfolgenden Untrsuchungen eingebracht werden kann. Zusätzlich wird dabei auch die genaue Konzentration bestimmt.The purification of the RNA is followed by quality and quantity control. The Agilent Bioanalyzer 2100 apparatus (Agilent Technologies, Berlin, Germany), which is used for this purpose, makes it possible to analyze RNA on a lab-on-a-chip scale. Together with Agilent's "RNA 6000 Nano Kit", the total RNA is separated by gel electrophoresis and thus offers the opportunity to study the quality of partial degradation and contamination by using ribosomal RNA (16 S and 23 S rRNA). detected. If these are clear bands, one can assume that the RNA was not degraded in the course of processing and thus is intact and can be introduced into the subsequent explorations. In addition, the exact concentration is determined.
Transkriptomanalysentranscriptome
Die Transkriptomanalysen wurden mit gesamtgenomischen B. licheniformis DSM13-DNA- Microarrays durchgeführt, die auf herkömmliche Weise (beispielsweise gemäß WO 95/11995 A1) hergestellt worden waren und über ein optisches System auswertbar sind. Auf diesen DNA-Microarrays lag nahezu jedes Gen aus B. licheniformis in doppelter Ausführung vor, so daß zwei Proben parallel auf demselben Chip analysiert und die erhaltenen Werte gemittelt werden konnten.Transcriptome analyzes were performed on whole genomic B. licheniformis DSM13 DNA microarrays which had been prepared in a conventional manner (for example according to WO 95/11995 A1) and can be evaluated by means of an optical system. Almost every B. licheniformis gene was duplicated on these DNA microarrays so that two samples could be analyzed in parallel on the same chip and the values obtained could be averaged.
Das Prinzip der vorgenommenen Messung besteht darin, daß die jeweiligen mRNA- Moleküle aus der entnommenen Probe in vitro über eine reverse Transkription in DNA umgeschrieben werden, wobei eines der zugesetzten Desoxyribonukleotide einen Farbmarker trägt. Diese markierten Moleküle werden dann mit den bekannten, auf bekannten Stellen des Chip liegenden Sonden hybridisiert und die jeweilige Stärke des an den betreffenden Stellen auf den Fluoreszenzmarker zurückzuführenden Signals optisch erfaßt. Bei Verwendung zweier verschiedener Fluoreszenzmarker für eine Kontrolle und für eine eigentlich zu untersuchende Probe, die gleichzeitig zur Hybridisierung gebracht werden und somit um die Bindung an die vorgelegte Sonde konkurrieren, gelangt man zu unterschiedlichen Farbwerten, die ein Maß für das Verhältnis der Konzentration der Kontrolle zur Konzentration der Probe liefern.The principle of the measurement carried out is that the respective mRNA molecules are transcribed from the sample taken in vitro via a reverse transcription into DNA, wherein one of the added deoxyribonucleotides carries a color marker. These labeled molecules are then hybridized with the known, lying on known locations of the chip probes and optically detected the respective strength of the attributable to the relevant sites on the fluorescent marker signal. By using two different fluorescent markers for a control and for a sample actually to be examined, which are simultaneously hybridized and thus compete for binding to the probe presented, different color values are obtained, which are a measure of the concentration of the control Provide concentration of the sample.
Für diese Markierung wurde dUTP gewählt, welches mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cyanin 3 oder mit Cyanin 5 markiert war. So wurden jeweils 25 μg Gesamt-RNA der Kontrolle (OD500 0,4) mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cyanin 3 (Fa. Amersham Biosciences Europe GmbH, Freiburg, Deutschland) und 25 μg Gesamt-RNA der jeweiligen Streßprobe (transiente Phase, 30, 60 und 120 min) mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cyanin 5 (Fa. GE Healthcare, Freiburg, Deutschland) markiert. Die kompetitive Hybridisierung der beiden Proben auf dem herkömmlichen, gesamtgenomischen B. //c/7en/7br/77/s-DSM13-DNA- Microarray erfolgte für mindestens 16 Stunden bei 42°C. Nach dem Waschen der Arrays zur Entfernung unspezifischer Bindungen erfolgte die optische Auslesung der Arrays mit Hilfe des ScanArray® Express Laser Scanners (Fa. PerkinElmer Life and Analytical Sciences, Rodgau-Jügesheim, Deutschland). Alle Hybridisierungen wurden wiederholt, wobei die Proben mit dem jeweiligen anderen Farbstoff markiert wurden (Dye-Swap-Verfahren). Die quantitative Auswertung der Arrays wurde unter Verwendung der Software ScanArray® Express (erhältlich von der Fa. PerkinElmer Life and Analytical Sciences Rodgau-Jügesheim, Deutschland) nach Herstellerangaben und unter Standard-Parametern durchgeführt.For this label, dUTP was selected, which was labeled with the fluorescent dye cyanine 3 or with cyanine 5. Thus, in each case 25 .mu.g total RNA of the control (OD 500 0.4) with the fluorescent dye cyanine 3 (Amersham Biosciences Europe GmbH, Freiburg, Germany) and 25 ug total RNA of the respective stress test (transient phase, 30, 60 and 120 min) with the fluorescent dye cyanine 5 (GE Healthcare, Freiburg, Germany). Competitive hybridization of the two samples on the conventional total genomic B. // c / 7en / 7br / 77 / s DSM13 DNA microarray was for at least 16 hours at 42 ° C. After washing the arrays to remove non-specific binding, the optical readout of the arrays was performed using the ScanArray® Express Laser Scanner (PerkinElmer Life and Analytical Sciences, Rodgau-Jügesheim, Germany). All hybridizations were repeated, with the samples labeled with the respective other dye (dye swap method). The quantitative evaluation of the arrays was carried out using the software ScanArray® Express (available from the company PerkinElmer Life and Analytical Sciences Rodgau-Jügesheim, Germany) according to the manufacturer and under standard parameters.
Unter Zuhilfenahme der Kontrollen der Lucidea Score Card (Fa. GE Healthcare, Freiburg, Deutschland) wurden die Arrays normalisiert und evaluiert. Mit Hilfe dieser „Score Card", welche zur Kontrolle der Effizienz und Qualität der Hybridisierung dient, waren entsprechend den Herstellerangaben bekannte Kontroll-DNA und sogenannte Spikes in Form von Oligos auf das Array aufgebracht und in der Hybridisierung mit komplementären Sequenzen versetzt worden. Somit konnte man nach dem Scannen den Erfolg der Hybridisierung und des Einbaus der Farbstoffe kontrollieren. Die Kontrollen sollten in beiden Proben in gleicher Menge vorhanden sein und somit nach dem Scannen gelb erscheinen beziehungsweise eine Ratio zwischen beiden Kanälen von 1 aufweisen. Die Spikes sind für die jeweilige Probe spezifisch, und werden in verschiedenen Verdünnungen aufgebracht, das heißt sie erscheinen nach dem Scannen für die jeweilige Probe rot oder grün.Using the controls of the Lucidea Score Card (GE Healthcare, Freiburg, Germany), the arrays were normalized and evaluated. With the help of this "score card", which serves to control the efficiency and quality of the hybridization, known control DNA and so-called spikes in the form of oligos were applied to the array according to the manufacturer's instructions and in the hybridization with complementary sequences were added After scanning, the controls should have the same amount of hybridization and dye incorporation, and the controls should be the same amount in both samples and appear yellow after scanning, or have a ratio between both channels of 1. The spikes are for each sample specifically, and are applied at various dilutions, that is they appear red or green after scanning for the particular sample.
Für die Expression der Gene wurden Mittelwerte aus den zwei Hybridisierungen sowie die jeweiligen Standardabweichungen errechnet. Für eine signifikante Induktion oder eine signifikante Repression werden folgende Schwellenwerte für das Verhältnis der RNA Menge des jeweiligen Gens gegenüber dem Kontrollwert betrachtet: Als induziert gelten die Gene, deren RNA ein Verhältnis > 3 (das heißt mindestens eine Verdreifachung) aufweist; deutlich reprimiert sind Gene mit einem RNA-Verhältnis < 0,3 (das heißt einem Absenken auf weniger als 30%). Diese Resultate werden in Beispiel 2 aufgelistet. Beispiel 2For expression of the genes, mean values from the two hybridizations and the respective standard deviations were calculated. For a significant induction or a significant repression, the following threshold values are considered for the ratio of the RNA amount of the respective gene to the control value: The genes whose RNA has a ratio of> 3 (ie at least one tripling) are considered as induced; clearly repressed are genes with an RNA ratio <0.3 (that is, a lowering to less than 30%). These results are listed in Example 2. Example 2
Unter Phosphatmangel induzierte GenePhosphate-deficient genes
In folgender Tabelle 1 sind alle in Beispiel 1 ermittelten 235 Gene von Bacillus licheniformis DSM13 aufgeführt, deren (mindestens den Faktor 3 betragende) Induzierung unter den Bedingungen des in Beispiel 1 beschriebenen Phosphatmangels beobachtet wurde. In den ersten beiden Spalten sind der jeweilige Name des abgeleiteten Proteins beziehungsweise (soweit vorhanden) dessen Abkürzung abgegeben; die „Bli-Nummer" entspricht dem „locus_tag" des unter dem Eintrag AE017333 (Basen 1 bis 4.222.645) in der Datenbank GenBank (National Center for Biotechnology Information NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA; http://www.ncbi.nlm.nih.gov; Stand 2.12.2004) zugänglichen Gesamtgenoms von β. licheniformis; anschließend folgen die zu den oben angegebenen Zeitpunkten beobachteten Faktoren zur Steigerung der Konzentration der jeweils zugehörigen mRNAs.Table 1 below lists all of the 235 genes of Bacillus licheniformis DSM13 determined in Example 1 whose induction (amounting to at least the factor 3) was observed under the conditions of the phosphate deficiency described in Example 1. In the first two columns the respective name of the derived protein or (if available) its abbreviation are given; the "bli number" corresponds to the "locus_tag" of the entry AE017333 (bases 1 to 4.222.645) in the database GenBank (National Center for Biotechnology Information NCBI, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA; http: // /www.ncbi.nlm.nih.gov, as of December 2, 2004). licheniformis; This is followed by the factors observed at the times indicated above for increasing the concentration of the respectively associated mRNAs.
Tabelle 1 : Die in Beispiel 1 ermittelten 235 Gene von Bacillus licheniformis DSM13, deren (mindestens den Faktor 3 betragende) Induzierung unter Phosphatmangel beobachtet wurde (Erläuterungen: siehe Text).Table 1: The determined in Example 1 235 genes of Bacillus licheniformis DSM13, whose (at least the factor of 3 amounts) induction was observed under phosphate deficiency (for explanations see text).
Beispiel 3Example 3
Speziell unter Phosphatmagel deutlich induzierte GeneSpecially induced genes under phosphate gel
In folgender Tabelle 2 sind alle in Beispiel 1 ermittelten Gene von Bacillus licheniformis DSM13 aufgeführt, deren Induzierung unter den Bedingungen des in Beispiel 1 beschriebenen Phosphatmangels zu irgendeinem der gemessenen Zeitpunkte mindestens den Faktor 10 betragen hat und die aufgrund von Vergleichsversuchen (Daten nicht gezeigt) als vergleichsweise spezifisch für Phosphatmangel eingestuft werden können. Dies sind insgesamt 47.Table 2 below lists all the genes of Bacillus licheniformis DSM13 determined in Example 1 whose induction under the conditions of the phosphate deficiency described in Example 1 at any of the measured times was at least a factor of 10 and those based on comparative experiments (data not shown) comparatively specific for phosphate deficiency can be classified. This is a total of 47.
Die Spaltenbezeichnungen sind dieselben wie im vorangegangenen Beispiel. Zusätzlich sind in der ersten Spalte die Sequenznummern angegeben, die die jeweiligen DNA- beziehungsweise Aminosäuresequenzen in dem zur vorliegenden Anmeldung gehörenden Sequenzprotokoll tragen. Besonderheiten der jeweiligen Sequenzen, die im Sequenzprotokoll als freier Text auftauchen, sind unter der Rubrik Genname / Genfunktion ergänzt.The column names are the same as in the previous example. In addition, in the first column, the sequence numbers are given which carry the respective DNA or amino acid sequences in the sequence listing belonging to the present application. Particularities of the respective sequences, which appear as free text in the sequence listing, are supplemented under the category gene name / gene function.
Tabelle 2: Die in Beispiel 1 ermittelten 47 Gene von Bacillus licheniformis DSM13, deren speziell durch Phosphatmangel hervorgerufene Induzierung zu irgendeinem der gemessenen Zeitpunkte mindestens den Faktor 10 betragen hat (Erläuterungen: siehe Text).Table 2: The 47 genes of Bacillus licheniformis DSM13 determined in Example 1, whose specifically induced by phosphate deficiency induction at any of the measured times was at least a factor of 10 (for explanations: see text).
In folgender Tabelle 3 sind dieselben 47 Gene noch einmal in der Reihenfolge der beobachtenen Stärke der Induktion aufgelistet. In dieser Reihenfolge werden im Beschreibungsteil die zugehörigen Bezeichnungen in deutscher Sprache angegeben. An der umgekehrten Reihenfolge orientiert sich die Staffelung der Anspruchsgegenstände.In Table 3 below, the same 47 genes are listed again in the order of magnitude of induction observed. In this order, the corresponding terms are given in German in the description section. The staggering of the claims is based on the reverse order.
Tabelle 3: Die in Beispiel 1 ermittelten 47 Gene von Bacillus licheniformis DSM13, deren speziell durch Phosphatmangel hervorgerufene Induzierung zu irgendeinem der gemessenen Zeitpunkte mindestens den Faktor 10 betragen hat, in absteigender Reihenfolge des jeweils gemessenen Maximalwerts (letzte Spalte). Table 3: The 47 genes of Bacillus licheniformis DSM13 determined in Example 1 whose specifically induced by phosphate deficiency induction at any of the measured times has been at least the factor 10, in descending order of the measured maximum value (last column).
Beispiel 4Example 4
Real-Time-RT-PCR-Quantifizierung ausgewählter GeneReal-time RT-PCR quantification of selected genes
Mit Hilfe der Real-Time-RT-PCR ist es möglich, die absoluten Molekülzahlen von spezifischen Transkripten in einer Probe zu ermitteln. Es wurde der LightCycler (Fa. Roche Diagnostics, Penzberg, Deutschland) in Verbindung mit dem "SYBR Green I" Kit (Fa. Roche Diagnostics) genutzt. Diese Methode basiert auf der Detektion der Bindung des fluoreszierenden Farbstoffs an doppelsträngige DNA. Die Quantifizierung der spezifischen mRNA-Moleküle erfolgte wie in Tobisch et al. (2003; Quantification of Bacterial mRNA by One-Step RT-PCR Using the LightCycler System; BIOCHEMICA, Band 3. Seiten 5 bis 8) beschrieben, wobei für jede zu untersuchende mRNA eine externe Standardkurve erstellt wurde.With the help of real-time RT-PCR, it is possible to determine the absolute molecular numbers of specific transcripts in a sample. The LightCycler (Roche Diagnostics, Penzberg, Germany) was used in conjunction with the "SYBR Green I" kit (Roche Diagnostics). This method is based on the detection of binding of the fluorescent dye to double-stranded DNA. The quantification of specific mRNA molecules were carried out as described in Tobisch et al. (2003; Quantification of Bacterial mRNA by One-Step RT-PCR Using the LightCycler System; BIOCHEMICA, Volume 3. pages 5 to 8), wherein an external standard curve was generated for each mRNA to be examined.
Dazu wurden Verdünnungen bekannter Konzentrationen von //>v#ro-Transkripten der in Beispiel 1 ermittelten und Beispiel 2 aufgelisteten mRNA mit Hilfe des LightCyclers gemessen und dann unter Verwendung der gerätespezifischen Software die Standardkurve erstellt. Dazu mußten im Vorfeld für jede zu untersuchende mRNA spezifische Primer ausgewählt werden (mit Hilfe der Software „Array Designer"; erhältlich von der Firma PREMIER Biosoft International, PaIo Alto, USA), die eine Synthese von In- wϊro-Transkripten sowie die PCR-Amplifikation im LightCycler ermöglichen.For this dilutions of known concentrations of //> v # ro transcripts of the mRNA determined in Example 1 and listed in Example 2 were measured with the aid of the LightCycler and then the standard curve was created using the device-specific software. For this, specific primers had to be selected in advance for each mRNA to be investigated (with the aid of the software "Array Designer", available from PREMIER Biosoft International, Paolo Alto, USA), which synthesizes intra-vitro transcripts and the PCR Enable amplification in the LightCycler.
Nach Herstellung der externen Standardkurve konnte mit der Messung im LightCycler begonnen werden. Für die Messungen wurden zwei unterschiedliche Verdünnungen für jede zu analysierende Probe eingesetzt. Im LightCycler-Lauf wurde dann mit den jeweiligen Primern das spezifische Transcript amplifiziert und die Einlagerung des Farbstoffs gemessen.After making the external standard curve, the measurement started in the LightCycler. For the measurements, two different dilutions were used for each sample to be analyzed. In the LightCycler run, the specific transcript was then amplified with the respective primers and the incorporation of the dye was measured.
Unter Verwendung der LightCycler-Software sowie des auf der Webseite http://molbiol.ru/ger/scripts/01_07.html zugänglichen Skripts (2.12.2004) konnte die genaue Molekülzahl für ausgewählte Transkripte ermittelt werden. Mit den auf diese Weise erhaltenen Werten und deren Relationen zueinander wurden für die ausgewählten Transkripte die in den Tabellen 1 und 2 angegebenen Induktionswerte bestätigt. Using the LightCycler software and the script available on the website http://molbiol.ru/ger/scripts/01_07.html (December 2, 2004), it was possible to determine the exact number of molecules for selected transcripts. With the values obtained in this way and their relations to one another, the induction values indicated in Tables 1 and 2 were confirmed for the selected transcripts.
Beschreibung der FigurenDescription of the figures
Figur 1 : Schematische Darstellung des yAM/ne-Monitoring eines Bioprozesses mit erfindungsgemäßen elektrischen DNA-ChipsFIG. 1: Schematic representation of the yAM / ne monitoring of a bioprocess with electrical DNA chips according to the invention
Die zeitnahe Überwachung des Bioprozesses geschieht vorteilhafterweise über folgende Arbeitsschritte:The timely monitoring of the bioprocess takes place advantageously via the following steps:
1. Probennahme, beispielsweise aus der Fermentation eines Mikroorganismus;1. Sampling, for example, from the fermentation of a microorganism;
2. Zellaufschluß über Routine-Methoden;2. cell digestion via routine methods;
3. RNA-Isolierung über Routine-Methoden;3. RNA isolation via routine methods;
4. Hybridisierung auf einem erfindungsgemäß mit Nukleinsäuren (beispielsweise DNA) oder Nukleinsäure-Analoga (beispielsweise schwer hydrolysierbaren, analog aufgebauten Verbindungen) beladenen Chip;4. hybridization to a chip loaded according to the invention with nucleic acids (for example DNA) or nucleic acid analogs (for example, compounds which are difficult to hydrolyze, analogously constructed);
5. Erfassung der elektrischen Signale eines entsprechend konstruierten Elektro- Chips; alternativ wäre auch die Aufnahme optischer Signale von einem optischen DNA-Chip möglich;5. detection of the electrical signals of a correspondingly designed electric chip; Alternatively, the recording of optical signals from an optical DNA chip would be possible;
6. Vorzugsweise Rechner-gestützte Datenauswertung.6. Preferably computer-aided data evaluation.
Bei Einsatz elektrischer Chips ergibt sich nach derzeitigem Entwicklungsstand eine ungefähre Gesamtanalysenzeit von weniger als 2 h, bei Einsatz konventioneller optischer DNA-Chips von ca. 12 h. When using electrical chips results in the current state of development an approximate total analysis time of less than 2 h, with the use of conventional optical DNA chips of about 12 h.

Claims

Patentansprüche claims
1. Nukleinsäure-bindender Chip, dotiert mit Sonden für mindestens drei der folgenden 47 Gene: yhcR, tatCD, ctaC, Gen für eine vermutliche Acetoin-Reductase (Homolog zu SEQ ID NO. 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), htpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, wobei die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel-spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100 liegt.1. nucleic acid-binding chip doped with probes for at least three of the following 47 genes: yhcR, tatCD, ctaC, gene for a presumptive acetoin reductase (homologue to SEQ ID NO. 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE, conserved hypothetical protein gene (homolog to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, presumptive aromatic-specific dioxygenase gene (homolog to SEQ ID No. 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homologue to SEQ ID NO: 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO 57), htpG, yfkH, spollAB, spolllAF, as D, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO: 17), gene for putative Pho sphatase (homologue to SEQ ID NO. 61), phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, where the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100.
2. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anpruch 1 , zunehmend bevorzugt dotiert mit den dort angegebenen Sonden in der dort angegebenen Reihenfolge.2. Nucleic acid-binding chip according to claim 1, increasingly preferably doped with the probes specified therein in the order given there.
3. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anpruch 1 oder 2, dotiert mit Sonden für mindestens drei der folgenden 39 Gene: Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten- spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), htpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, vorzugsweise für mindestens drei der folgenden 14 Gene: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, besonders bevorzugt für mindestens drei der folgenden 8 Gene: phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, ganz besonders bevorzugt für mindestens eines der folgenden 3 Gene: phoB, yvnA, yvmC.3. Nucleic acid-binding chip according to claim 1 or 2, doped with probes for at least three of the following 39 genes: gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE, gene for a conserved hypothetical potein (homolog to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, gene for a probable aromatic-specific dioxygenase (homolog to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homolog to SEQ ID NO: 49), pstBB , spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homolog to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (Homologue to SEQ ID NO 57), htpG, yfkH, spollAB, spolllAF, as D, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO 17), A putative phosphatase gene (homologue to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, preferably f for at least three of the following 14 genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (Homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, most preferred for at least three of the following 8 genes: phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, most preferably for at least one of the following 3 genes: phoB, yvnA, yvmC.
4. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dotiert mit mindestens 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 oder 47 der genannten Sonden.4. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 3, doped with at least 4, 5, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 or 47 of said probes.
5. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Gesamtzahl aller unterschiedlichen Sonden zunehmend bevorzugt nicht über 100, 90, 80, 70, 60 oder 50 liegt.The nucleic acid-binding chip according to any one of claims 1 to 4, wherein the total number of all different probes is increasingly preferably not more than 100, 90, 80, 70, 60 or 50.
6. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei es sich bei den genannten Sonden um solche handelt, die auf die betreffenden, beziehungsweise höchsthomologen, in vivo transkribierbaren Gene aus dem für den Bioprozeß gewählten Organismus ansprechen, vorzugsweise solche, die von den betreffenden, beziehungsweise höchsthomologen, in vivo transkribierbaren Genen eben dieses Organismus abgeleitet sind.6. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 5, wherein said probes are those which are responsive to the relevant, or most homologous, in vivo transcribable genes from the organism selected for the bioprocess, preferably those which are derived from the relevant, or most homologous, in vivo transcribable genes just this organism.
7. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anspruch 6, wobei es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien handelt.The nucleic acid-binding chip according to claim 6, wherein the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
8. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anspruch 7, wobei es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze handelt, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.8. A nucleic acid-binding chip according to claim 7, wherein the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
9. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anspruch 7, wobei es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus handelt, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder S. lentus, und ganz besonders um β. licheniformis.Nucleic acid-binding chip according to claim 7, wherein the Gram-positive bacteria are Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular of the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or S. lentus, and more particularly β. licheniformis.
10. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anspruch 7, wobei es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella handelt, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli J M 109, E. coli XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).10. Nucleic acid-binding chip according to claim 7, wherein the Gram-negative bacteria are those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and especially derivatives of the Strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
11. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei mindestens eine, zunehmend bevorzugt mehrere der genannten Sonden von den Sequenzen abgeleitet ist/sind, die im Sequenzprotokoll unter den Nummern SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 13, 15, 17, 19, 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33, 35, 37, 39, 41 , 43, 45, 47, 49, 51 , 53, 55, 57, 59, 61 , 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 und 93 aufgeführt sind.11. A nucleic acid-binding chip according to any one of claims 1 to 10, wherein at least one, more preferably more of said probes is / are derived from the sequences shown in the sequence listing under the numbers SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59, 61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91 and 93 are listed.
12. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , zusätzlich dotiert mit mindestens einer Sonde für ein zusätzliches Gen, insbesonderen einem solchen, das in einem Stoffwechsel-bedingten Zusammenhang zu dem oder den prozeßbedingt zusätzlich exprimierten Gen(en) steht, ganz besonders für eines von diesen oder dieses selbst.The nucleic acid-binding chip according to any one of claims 1 to 11, additionally doped with at least one probe for an additional gene, in particular one which is in a metabolic-related relation to the process-related additionally expressed gene (s) especially for one of these or this self.
13. Nukleinsäure-bindender Chip nach Anspruch 12, wobei es sich bei dem prozeßbedingt zusätzlich exprimierten Gen um das für ein gewerblich einsetzbares Protein handelt, insbesondere um eine Amylase, Cellulase, Lipase, Oxidoreduktase, eine Hemicellulase oder Protease, oder um eines, das auf einem Syntheseweg für eine niedermolekulare chemische Verbindung liegt oder diesen wenigstens zum Teil reguliert.13. Nucleic acid-binding chip according to claim 12, wherein the process-related additionally expressed gene is that for a commercially useful protein, in particular an amylase, cellulase, lipase, oxidoreductase, a hemicellulase or protease, or one of which a synthesis route for a low molecular weight chemical compound or at least partially regulated.
14. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei eine, bevorzugt mehrere der genannten Sonden einzelsträngig, in Form des codogenen Strangs bereitgestellt wird/werden. 14. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 13, wherein one, preferably a plurality of said probes single-stranded, is provided in the form of the codogenic strand / are.
15. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei eine, bevorzugt mehrere der genannten Sonden in Form einer DNA oder eines Nukleinsäureanalogs, vorzugsweise eines Nukleinsäureanalogs zur Verfügung gestellt wird/werden.15. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 14, wherein one, preferably more of said probes in the form of a DNA or a nucleic acid analog, preferably a nucleic acid analogue is provided / become.
16. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei eine, bevorzugt mehrere der genannten Sonden Genbereiche umfaßt/umfassen, die von dem zu untersuchenden Organismus in mRNA umgeschrieben werden, insbesondere die Genbereiche, die nahe dem 5'-Ende der mRNA liegen.16. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 15, wherein one, preferably a plurality of said probes gene / includes gene regions / which are rewritten by the organism to be examined in mRNA, in particular the gene regions which are near the 5 'end of lie mRNA.
17. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei eine, bevorzugt mehrere der genannten Sonden auf Fragmente der betreffenden Nukleinsäuren anspricht/ansprechen, insbesondere auf solche, die in der betreffenden mRNA, bezogen auf die jeweilige Gesamt-mRNA ein geringes Maß an Sekundärfaltung aufweisen.17. nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 16, wherein one, preferably more of said probes responsive to fragments of the respective nucleic acids / responsive, in particular to those in the respective mRNA, based on the respective total mRNA a small Have a degree of secondary folding.
18. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei eine, bevorzugt mehrere der genannten Sonden eine Länge von weniger als 200 Nukleotiden, vorzugsweise von weniger als 100 Nukleotiden, besonders bevorzugt von 20 bis 60 Nukleotiden, ganz besonders bevorzugt von 45 bis 55 Nukleotiden aufweist/aufweisen.18. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 17, wherein one, preferably more of said probes has a length of less than 200 nucleotides, preferably less than 100 nucleotides, more preferably from 20 to 60 nucleotides, most preferably from 45 to 55 nucleotides.
19. Nukleinsäure-bindender Chip nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei durch die Bindung der mRNA an die betreffende genannte Sonde ein elektrisches Signal ausgelöst wird.19. Nucleic acid-binding chip according to one of claims 1 to 18, wherein an electrical signal is triggered by the binding of the mRNA to the relevant said probe.
20. Gleichzeitige Verwendung von Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Analogon-Sonden für mindestens drei der folgenden 47 Gene: yhcR, tatCD, ctaC, Gen für eine vermutliche Acetoin-Reductase (Homolog zu SEQ ID NO. 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), MpG, yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, gebunden an einen Nukleinsäure-bindenden Chip, vorzugsweise an denselben, zur Bestimmung des physiologischen Zustande eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus.20. Simultaneous Use of Nucleic Acid or Nucleic Acid Analogue Probes for at Least Three of the Following 47 Genes: yhcR, tatCD, ctaC, Gene for a Presumptive Acetoin Reductase (Homolog to SEQ ID NO: 53), spollGA, nasE, pstA, spollAA, a hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE, a conserved hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO: 59), yurl, spoVID, a probable aromatic-specific dioxygenase gene ( Homolog to SEQ ID NO: 55), yhbE, gene for a putative benzoate transport protein (homolog to SEQ ID NO: 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO 57), MpG, yfkH, spollAB , spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS, homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homologue to SEQ ID NO: 61), phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, bound to, preferably to, a nucleic acid-binding chip for determining the physiological state of a biological process-going organism.
21. Verwendung nach Anspruch 20, wobei die Gesamtzahl aller Phosphatstoffwechsel- spezifischen unterschiedlichen Sonden nicht über 100 liegt.21. Use according to claim 20, wherein the total number of all phosphate metabolism-specific different probes is not more than 100.
22. Verwendung nach Anspruch 20 oder 21 , wobei die in Anspruch 20 angegebenen Sonden in der dort angegebenen Reihenfolge zunehmend bevorzugt eingesetzt werden.22. Use according to claim 20 or 21, wherein the probes specified in claim 20 are increasingly used in the order given there.
23. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei es sich um Nukleinsäure- oder Nukleinsäure-Analogon-Sonden für mindestens drei der folgenden 39 Gene handelt: Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 65), yhbD, cotE, Gen für ein konserviertes hypothetisches Potein (Homolog zu SEQ ID NO. 59), yurl, spoVID, Gen für eine vermutliche Aromaten-spezifische Dioxygenase (Homolog zu SEQ ID NO. 55), yhbE, Gen für ein vermutliches Benzoat-Transportprotein (Homolog zu SEQ ID NO. 49), pstBB, spolllAH, Gen für ein hypothetisches Protein (Homolog zu SEQ ID NO. 63), spollQ, spolllAG, yvmA, Gen für eine vermutliche Ribonuclease (Homolog zu SEQ ID NO. 93), dhaS, yrbE, Gen für eine vermutliche Decarboxylase/Dehydratase (Homolog zu SEQ ID NO. 57), WpG1 yfkH, spollAB, spolllAF, alsD, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, vorzugsweise für mindestens drei der folgenden 14 Gene: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, Homolog zu dhaS (Homolog zur Aldehyd-Dehydrogenase DhaS; Homolog zu SEQ ID NO. 17), Gen für eine vermutliche Phosphatase (Homolog zu SEQ ID NO. 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, besonders bevorzugt für mindestens drei der folgenden 8 Gene: phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, ganz besonders bevorzugt für mindestens eines der folgenden 3 Gene: phoB, yvnA, yvmC.23. Use according to any one of claims 20 to 22, which are nucleic acid or nucleic acid analogue probes for at least three of the following 39 genes: gene for a hypothetical protein (homologue to SEQ ID NO: 65), yhbD, cotE , Preserved hypothetical protein gene (homologue to SEQ ID NO: 59), yur1, spoVID, presumptive aromatic-specific dioxygenase gene (homologue to SEQ ID NO: 55), yhbE, presumptive benzoate transport protein gene (homolog to SEQ ID NO: 49), pstBB, spolllAH, gene for a hypothetical protein (homolog to SEQ ID NO: 63), spollQ, spolllAG, yvmA, gene for a putative ribonuclease (homologue to SEQ ID NO: 93), dhaS, yrbE, gene for a putative decarboxylase / dehydratase (homolog to SEQ ID NO 57), WpG 1 yfkH, spollAB, spolllAF, as D, gdh, yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; Homologue to SEQ ID NO: 17), gene for a putative phosphatase (homolog to SEQ ID NO: 61), phy, cypX , as S, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, preferably for at least three of the following 14 genes: yfkN, pstC, yfmQ, pstBA, homolog to dhaS (homolog to aldehyde dehydrogenase DhaS; Homolog to SEQ ID NO. 17), gene for a putative phosphatase (homologue to SEQ ID NO 61), phy, cypX, alsS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, particularly preferred for at least three of the following 8 genes: phy, cypX, asS, phoD, pstS, phoB, yvnA, yvmC, most preferably for at least one of the following 3 genes: phoB, yvnA, yvmC.
24. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 23 von mindestens 4, 5, 6, 8, 10, 12,24. Use according to one of claims 20 to 23 of at least 4, 5, 6, 8, 10, 12,
14, 16, 18, 20, 22, 24, 26 28, 30, 35, 40, 45 oder 47 der genannten Sonden.14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 35, 40, 45 or 47 of said probes.
25. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die Gesamtzahl aller unterschiedlichen Sonden zunehmend bevorzugt nicht über 100, 90, 80, 75, 70, 65,25. Use according to one of claims 20 to 24, wherein the total number of all different probes increasingly preferably does not exceed 100, 90, 80, 75, 70, 65,
60, 55, 50, 40, 30, 20 oder 10 liegt.60, 55, 50, 40, 30, 20 or 10 is located.
26. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 25 zur Bestimmung einer Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus, vorzugsweise zur Detektion eines Phosphatmangelzustands.26. Use according to any one of claims 20 to 25 for determining a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process, preferably for the detection of a phosphate deficiency state.
27. Verwendung nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei mindestens eine, zunehmend bevorzugt mehrere der genannten Sonden von den Sequenzen abgeleitet ist/sind, die im Sequenzprotokoll unter den Nummern SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 13,27. Use according to any one of claims 20 to 26, wherein at least one, more preferably more of said probes is / are derived from the sequences which are listed in the sequence listing under the numbers SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13,
15, 17, 19, 21 , 23, 25, 27, 29, 31 , 33, 35, 37, 39, 41 , 43, 45, 47, 49, 51 , 53, 55, 57, 59,15, 17, 19, 21, 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 41, 43, 45, 47, 49, 51, 53, 55, 57, 59,
61 , 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 und 93 aufgeführt sind.61, 63, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 79, 81, 83, 85, 87, 89, 91 and 93 are listed.
28. Verfahren der Bestimmung des physiologischen Zustands eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus durch Einsatz eines Nukleinsäure-bindenden Chips nach einem der Ansprüche 1 bis 19.28. A method of determining the physiological state of a biological process-passing organism by use of a nucleic acid-binding chip according to any one of claims 1 to 19.
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei eine Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus bestimmt wird, vorzugsweise ein Phosphatmangelzustand.29. The method of claim 28, wherein a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process is determined, preferably a phosphate deficient state.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien handelt. 30. The method of claim 28 or 29, wherein the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
31. Verfahren nach Anspruch 30, wobei es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze handelt, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.31. The method of claim 30, wherein the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
32. Verfahren nach Anspruch 30, wobei es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus handelt, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder ß. lentus, und ganz besonders um B. licheniformis.32. The method according to claim 30, wherein the Gram-positive bacteria are Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular the species Staphylococcus carnosus, Corynebacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or ß. lentus, and especially around B. licheniformis.
33. Verfahren nach Anspruch 30, wobei es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella handelt, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E coli XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).33. The method of claim 30, wherein the gram-negative bacteria are those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and more particularly derivatives of the strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
34. Verfahren nach Anspruch 33 oder vorzugsweise 32, wobei solche der genannten Sonden zum Einsatz kommen, die von den im Sequenzprotokoll angegebenen SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 15, 19, 23, 25, 29, 31 , 33, 37, 43, 45, 49, 51 , 53, 55, 59, 61 , 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 oder 93 abgeleitet sind.34. The method of claim 33 or preferably 32, wherein those of said probes are used which are of the SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 25, 29, 31, 33, 37, 43, 45, 49, 51, 53, 55, 59, 61, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 81, 83, 85, 87, 89, 91 or 93 are derived.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 34, wobei die Bestimmung des physiologischen Zustands zu verschiedenen Zeitpunkten desselben Prozesses durchgeführt wird, vorzugsweise unter Einsatz mehrerer baugleicher Nukleinsäure- bindender Chips, besonders bevorzugt desselben Nukleinsäure-bindenden Chips.35. The method according to any one of claims 28 to 34, wherein the determination of the physiological state at different times of the same process is performed, preferably using a plurality of identical nucleic acid-binding chips, more preferably the same nucleic acid-binding chip.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 35, wobei es sich bei dem Prozeß um eine Fermentation, insbesondere um die fermentative Herstellung eines gewerblich einsetzbaren Produkts, besonders bevorzugt um die Herstellung eines Proteins oder einer niedermolekularen chemischen Verbindung handelt. 36. The method according to any one of claims 28 to 35, wherein the process is a fermentation, in particular the fermentative production of a commercially useful product, more preferably is the preparation of a protein or a low molecular weight chemical compound.
37. Verfahren nach Anspruch 36, wobei es sich bei der niedermolekularen chemischen Verbindung um einen Naturstoff, einen Nahrungsmittelergänzungsstoff oder um eine pharmazeutisch relevante Verbindung handelt.37. The method of claim 36, wherein the low molecular weight chemical compound is a natural product, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
38. Verfahren nach Anspruch 36, wobei es sich bei dem Protein um ein Enzym handelt, insbesondere eines aus der Gruppe der α-Amylasen, Proteasen, Cellulasen, Lipasen, Oxidoreduktasen, Peroxidasen, Laccasen, Oxidasen und Hemicellulasen.38. The method of claim 36, wherein the protein is an enzyme, in particular one of the group of α-amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
39. Verwendung eines Nukleinsäure-bindenden Chips nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Bestimmung des physiologischen Zustande eines einen biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus.39. Use of a nucleic acid-binding chip according to any one of claims 1 to 19 for the determination of the physiological state of a biological process going through an organism.
40. Verwendung nach Anspruch 39, wobei eine Änderung im Phosphatstoffwechsel des den biologischen Prozeß durchlaufenden Organismus bestimmt wird, vorzugsweise ein Phosphatmangelzustand.40. Use according to claim 39, wherein a change in the phosphate metabolism of the organism passing through the biological process is determined, preferably a phosphate deficient state.
41. Verwendung nach Anspruch 39 oder 40, wobei es sich bei dem für den Bioprozeß ausgewählten Organismus um einen Vertreter einzelliger Eukaryonten, grampositiver oder gramnegativer Bakterien handelt.41. Use according to claim 39 or 40, wherein the organism selected for the bioprocess is a representative of unicellular eukaryotes, Gram-positive or Gram-negative bacteria.
42. Verwendung nach Anspruch 41 , wobei es sich bei den einzelligen Eukaryonten um Protozoen oder um Pilze handelt, hierunter insbesondere Hefe, ganz besonders Saccharomyces oder Schizosaccharomyces.42. Use according to claim 41, wherein the unicellular eukaryotes are protozoa or fungi, including in particular yeast, especially Saccharomyces or Schizosaccharomyces.
43. Verwendung nach Anspruch 41 , wobei es sich bei den grampositiven Bakterien um Coryneforme Bakterien oder solche der Gattungen Staphylococcus, Corynebakterien oder Bacillus handelt, insbesondere der Spezies Staphylococcus carnosus, Corynehacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii oder B. lentus, und ganz besonders um ß. licheniformis.43. Use according to claim 41, wherein the Gram-positive bacteria are Coryneform bacteria or those of the genera Staphylococcus, Corynebacteria or Bacillus, in particular of the species Staphylococcus carnosus, Corynehacterium glutamicum, Bacillus subtilis, B. licheniformis, B. amyloliquefaciens, B. agaradherens, B. stearothermophilus, B. globigii or B. lentus, and more particularly β. licheniformis.
44. Verwendung nach Anspruch 41 , wobei es sich bei den gramnegativen Bakterien um solche der Gattungen E. coli oder Klebsiella handelt, insbesondere um Derivate von Escherichia coli K12, von Escherichia coli B oder Klebsiella planticola, und ganz besonders um Derivate der Stämme Escherichia coli BL21 (DE3), £ coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 oder Klebsiella planticola (Rf).44. Use according to claim 41, wherein the Gram-negative bacteria are those of the genera E. coli or Klebsiella, in particular derivatives of Escherichia coli K12, of Escherichia coli B or Klebsiella planticola, and whole especially derivatives of strains Escherichia coli BL21 (DE3), E. coli RV308, E. coli DH5α, E. coli JM109, E. coli XL-1 or Klebsiella planticola (Rf).
45. Verwendung nach Anspruch 44 oder vorzugsweise 43, wobei solche der genannten Sonden zum Einsatz kommen, die von den im Sequenzprotokoll angegebenen SEQ ID NO. 1 , 3, 5, 7, 9, 11 , 15, 19, 23, 25, 29, 31 , 33, 37, 43, 45, 49, 51 , 53, 55, 59, 61 , 65, 67, 69, 71 , 73, 75, 77, 81 , 83, 85, 87, 89, 91 oder 93 abgeleitet sind.45. Use according to claim 44 or preferably 43, wherein those of said probes are used which are of the SEQ ID NO. 1, 3, 5, 7, 9, 11, 15, 19, 23, 25, 29, 31, 33, 37, 43, 45, 49, 51, 53, 55, 59, 61, 65, 67, 69, 71, 73, 75, 77, 81, 83, 85, 87, 89, 91 or 93 are derived.
46. Verwendung nach einem der Ansprüche 39 bis 45, wobei die Bestimmung des physiologischen Zustande zu verschiedenen Zeitpunkten desselben Prozesses durchgeführt wird, vorzugsweise unter Einsatz mehrerer baugleicher Nukleinsäure- bindender Chips, besonders bevorzugt desselben Nukleinsäure-bindenden Chips.46. Use according to any one of claims 39 to 45, wherein the determination of the physiological state at different times of the same process is carried out, preferably using a plurality of identical nucleic acid-binding chips, more preferably the same nucleic acid-binding chip.
47. Verwendung nach einem der Ansprüche 39 bis 46, wobei es sich bei dem Prozeß um eine Fermentation, insbesondere um die fermentative Herstellung eines gewerblich einsetzbaren Produkts, besonders bevorzugt um die Herstellung eines Proteins oder einer niedermolekularen chemischen Verbindung handelt.47. Use according to any one of claims 39 to 46, wherein the process is a fermentation, in particular the fermentative production of a commercially useful product, more preferably the production of a protein or a low-molecular chemical compound.
48. Verwendung nach Anspruch 47, wobei es sich bei der niedermolekularen chemischen Verbindung um einen Naturstoff, einen Nahrungsmittelergänzungsstoff oder um eine pharmazeutisch relevante Verbindung handelt.48. Use according to claim 47, wherein the low molecular weight chemical compound is a natural product, a food supplement or a pharmaceutically relevant compound.
49. Verwendung nach Anspruch 47, wobei es sich bei dem Protein um ein Enzym handelt, insbesondere eines aus der Gruppe der α-Amylasen, Proteasen, Cellulasen, Lipasen, Oxidoreduktasen, Peroxidasen, Laccasen, Oxidasen und Hemicellulasen. 49. Use according to claim 47, wherein the protein is an enzyme, in particular one of the group of α-amylases, proteases, cellulases, lipases, oxidoreductases, peroxidases, laccases, oxidases and hemicellulases.
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