Verbesserte molekularbiologische Prozessanlage Improved molecular biology process plant
1 Einleitung1 Introduction
Für ein umfassendes Verständnis der Molekularbiologie des Menschen und anderer Lebewesen ist die Kenntnis der Zahl, Art und der Interaktionen aller seiner Gene und Genprodukte untereinander sowie mit der Umwelt notwendig. Hierzu bedarf es Analysemethoden, die Informationen über die lokale Konzentration von Genen sowie ihrer kodierten funktionalen Biomoleküle (RNA, Proteine) aber auch anderer Stoffklassen, die aus der Aktivität von Genen resultieren (z.B. Produkte enzymatischer Reaktionen wie bestimmte Metabolite) zu einem gegebenen Zeitpunkt in einem Organismus unter bestimmten Bedingungen liefern. Die gesamte Information für die Funktionsweise eines Lebewesens ist in seiner DNA kodiert. Diese kodiert wiederum für RNA, welche für Proteine kodieren kann. DNA und RNA lassen sich durch ihre Stabilität und Paarungseigenschaften relativ leicht untersuchen, weshalb gegenwärtige Analysemethoden insbesondere auf diese beiden Molekülklassen abzielen. Hierbei liegt der Fokus auf der Untersuchung der DNA-Sequenz verschiedener Organismen sowie verschiedener Individuen einer Spezies und ihr Vergleich untereinander (z.B. Genomsequenzierungen, Genotypisierungen durch Analyse von Orten hoher genetischer Variabilität wie „Single nucleotide polymorphisms", Evolutionsbiologie, Taxonomie). Eine weitere wichtige Analysemethode ist die Charakterisierung der Art und Konzentration von mRNA (Expression Profiling) um Aussagen über die Aktivität von Genen unter bestimmten Bedingungen treffen zu können. Solche Methoden haben in den letzten Jahren zu einer Fülle neuer Erkenntnisse geführt.To fully understand the molecular biology of humans and other living things requires knowledge of the number, type, and interactions of all of their genes and gene products, as well as with the environment. This requires analysis methods that provide information on the local concentration of genes and their encoded functional biomolecules (RNA, proteins) as well as other classes of substances resulting from the activity of genes (eg products of enzymatic reactions such as certain metabolites) at a given time Provide organism under certain conditions. The entire information for the functioning of a living being is coded in his DNA. This in turn encodes RNA, which can encode proteins. DNA and RNA are relatively easy to study for their stability and mating properties, which is why current analytical methods are aimed in particular at these two classes of molecules. Here, the focus is on the study of the DNA sequence of different organisms as well as different individuals of a species and their comparison with each other (eg genome sequencing, genotyping by analysis of sites of high genetic variability such as "single nucleotide polymorphisms", evolutionary biology, taxonomy.) Another important analytical method is the characterization of the type and concentration of mRNA (expression profiling) in order to be able to make statements about the activity of genes under certain conditions, which have led to a wealth of new findings in recent years.
So gilt nach aktuellem Stand der Forschung das menschliche Genom sowie die Genome einiger weiterer komplexer Lebewesen wie der Maus und einer Vielzahl an kleinen Organismen,For example, according to the current state of research, the human genome and the genome of some other complex organisms such as the mouse and a multitude of small organisms,
Viren, Bakterien etc. als von der Sequenz her aufgeklärt. Die Aufklärung der Funktion unseres und aller anderen Genome steht jedoch noch ganz am Anfang. Bei der Sequenzierung hat sich herausgestellt, dass der Mensch viel weniger Gene besitzt als zunächst angenommen, und der Vergleich der sequenzierten Organismen hat gezeigt, dass die Anzahl der Gene und damit die Anzahl der Proteine nicht mit der Komplexität eines Organismus korreliert. Und auch die Unterschiede in den Genen sind minimal. So liegen die Unterschiede zwischen den Genen von zwei Menschen im Promillebereich und der Unterschied zwischen Mensch und Affe gerade mal im unteren, einstelligen Prozentbereich. Ein sehr kleiner genotypischer Unterschied im Vergleich zum offensichtlich großen Unterschied beim Phänotyp. Im März 2005 Heft des „Spektrum der Wissenschaft" beschreibt der Autor John S.Viruses, bacteria, etc. are explained as being from the sequence. However, the elucidation of the function of our and all other genomes is still in its infancy. Sequencing has revealed that humans have much fewer genes than previously thought, and comparison of sequenced organisms has shown that the number of genes, and thus the number of proteins, does not correlate with the complexity of an organism. And also the differences in the genes are minimal. Thus, the differences between the genes of two people in the per thousand range and the difference between humans and monkeys are just in the lower, single-digit percentage range. A very small genotypic difference compared to the obvious big difference in phenotype. In March 2005 issue of the "Spectrum of Science" describes the author John S.
Mattick von der Universität in Queensland, Australien, in seinem Beitrag „Das verkannte
Genom-Programm" ein alternatives bzw. erweitertes Modell für die Funktionsweise der DNA. Die gängige Lehrmeinung sieht in der DNA nur die Bauanleitung für Proteine, und per Definition kodiert ein Gen für jeweils ein Protein. Für primitive Organismen ist das auch so noch weitgehend gültig, aber für komplexe Organismen, allen voran der Mensch, hat sich beim Sequenzieren herausgestellt, das nur 1,5% der menschlichen DNA für Proteine kodiert und diese Abschnitte, die so genannten Exons, nicht zusammenhängend auf der DNA angeordnet sind. Zwischen den Exons liegen die Introns, welche zusammen mit den Exons etwa 60% der menschlichen DNA ausmachen. Heute wird deshalb als menschliches Gen ein Bereich auf der DNA zwischen einem Start- und einem Stopp-Kodon definiert, innerhalb dessen mehrere Exons liegen, welche für ein oder mehrere ähnliche Proteine kodieren. Daraus geht hervor, dass die menschlichen Gene in gewisser Weise jeweils einen Modulbaukasten für verschiedene, aber verwandte Proteine darstellen. Damit kann der Mensch mit etwa 25.000 Genen etwa 100.000 Proteine erzeugen.Mattick from the University of Queensland, Australia, in his contribution "The Underestimated Genome program "An alternative or extended model for the functioning of DNA The common doctrine sees in the DNA only the instructions for the construction of proteins, and by definition one gene encodes one protein, which is still largely valid for primitive organisms but for complex organisms, especially humans, sequencing has revealed that only 1.5% of human DNA encodes proteins and that these "exons" are not contiguously located on the DNA the introns that make up about 60% of human DNA together with the exons. Today, therefore, as a human gene, an area on the DNA is defined between a start and a stop codon, within which there are several exons, one or more similar From this it can be seen that the human genes are in some ways a modular building block for different, but related e represent proteins. Thus, humans can produce about 100,000 proteins with about 25,000 genes.
Die Introns sowie die restliche, nicht-kodierende DNA werden nach diesem Modell als Junk-DNA oder genetischer Abfall angesehen. Insgesamt hätten so 98,5% des Genoms des Menschen keine oder keine wesentliche Bedeutung, und die große Menge wird mit der langen Dauer der Evolution erklärt. Genau hier setzt Mattick an und postuliert, dass zumindest die Introns, ggf. die gesamte nicht für Proteine kodierende DNA, die Information zur Nutzung der Gene enthält. Introns kodieren demnach für eine große Vielzahl an unterschiedlich langen RNAs. Tatsächlich sind mittlerweile eine Vielzahl an regulatorischen RNAs entdeckt worden (z.B. microRNAs), die außerhalb der Exons kodiert werden.The introns as well as the remaining, non-coding DNA are considered by this model to be junk DNA or genetic waste. Overall, so 98.5% of the human genome would have no or no significant importance, and the large amount is explained by the long duration of evolution. This is precisely where Mattick comes in and postulates that at least the introns, possibly all the DNA that does not encode proteins, contains the information for using the genes. Accordingly, introns encode a large number of differently long RNAs. In fact, a variety of regulatory RNAs have now been discovered (e.g., microRNAs) encoded outside the exons.
In ebenfalls großem Maße werden momentan Erkenntnisse über die komplexen regulatorischen Netzwerke von Genen auf Proteinebene gewonnen. Hierbei stehen insbesondere Mechanismen im Vordergrund, die auf unterschiedlichen posttranslationalen Protein- modifϊkationen beruhen, die auf Nukleinsäureebene nicht nachweisbar sind.To a great extent, knowledge about the complex regulatory networks of genes at the protein level is currently being gained. In particular, mechanisms that focus on different posttranslational protein modifications that are not detectable at the nucleic acid level are in the foreground.
All diese Erkenntnisse eröffnen eine Vielzahl neuer Forschungsfelder und erfordern neue flexible Analysemethoden, die dem hohen Durchsatz und dem rapiden Wandel an Erkenntnissen auf diesen Gebieten Rechnung tragen. Hierbei kann es insbesondere auch von großem Nutzen sein, Methoden zu entwickeln, die es erlauben, eine große Zahl von Biomolekülen parallel zu erzeugen und auf bestimmte Eigenschaften im Hochdurchsatz zu untersuchen.
2 Stand der TechnikAll of these findings open up a multitude of new research areas and require new flexible analysis methods that take account of the high throughput and rapid change in knowledge in these areas. In particular, it may be of great benefit to develop methods that allow a large number of biomolecules to be generated in parallel and examined for specific high-throughput properties. 2 State of the art
Methoden zur Untersuchung von biologischen Proben beruhen häufig auf chemischen oder biochemischen Manipulationen der Probe gekoppelt mit physikalischen Methoden zur Analyse. Dem Fachmann sind z.B. folgende Verfahren bekannt:Methods for examining biological samples are often based on chemical or biochemical manipulations of the sample coupled with physical methods of analysis. The skilled person is aware of the following methods are known:
2.1 Kapillarelektrophorese (CE)2.1 Capillary Electrophoresis (CE)
Die vorherrschende Methode zur Sequenzerkennung ist die Kapillarelektrophorese (engl.: capillary electrophoresis, CE). An mit speziellem Gel gefüllte Kapillaren wird Strom angelegt, wodurch geladene Moleküle zur Bewegung angeregt werden. Kleinere Moleküle kommen schneller als große durch das Netz des Gels. Gibt man einen Cocktail an unterschiedlich großen Molekülen in eine CE, so verlassen diese die Kapillare nach ihrer Größe sortiert. Für die Sequenzierung der geladenen DNA wird dieses Verfahren in Zusammenhang mit einem enzymatischen Assay verwendet. Dieser Probenvorbereitungsassay erzeugt ausgehend von einem Ende der zu sequenzierenden DNA die jeweilige Abschrift durch eine Primerverlängerung. Dabei wird an jeder kopierten Nukleotidposition ein kleiner Anteil von Nukleotidanaloga eingebaut, die Kettenabbruch verursachen und ein jeweils nukleotidspezifisches Fluorophor enthalten. Je nachdem, mit welcher der 4 Basen der jeweilige Abschnitt endet, ist dadurch durch Länge und Farbe des entstandenen Moleküls die Identität einer Base an einer Position analysiert. Die Farben werden bei Austritt aus der Kapillare optisch erfasst und die Signale per Computer verarbeitet und zu einer Sequenz zusammengesetzt.The predominant method for sequence recognition is capillary electrophoresis (CE). Current is applied to capillaries filled with special gel, causing charged molecules to move. Smaller molecules get through the gel's network faster than large ones. If a cocktail of molecules of different sizes is added to a CE, these leave the capillaries sorted according to their size. For sequencing the charged DNA, this method is used in conjunction with an enzymatic assay. This sample preparation assay generates the respective copy by primer extension from one end of the DNA to be sequenced. In this case, a small proportion of nucleotide analogues are introduced at each copied nucleotide position, causing chain termination and containing a nucleotide-specific fluorophore. Depending on with which of the 4 bases the respective section ends, the identity and length of the resulting molecule are analyzed by the length and color of the resulting molecule at one position. The colors are optically detected when exiting the capillary and the signals processed by computer and assembled into a sequence.
Dieses Verfahren ist weitgehend automatisiert. Die größten Geräte vom Marktführer Applied Biosystems aus den USA haben bis zu 96 parallele Kapillaren mit einer Leseleistung von 650 Basen pro Messung und Kapillare und damit bis zu 1,5 Mio. Basen pro Gerät und Tag (24 h). Die maximale Länge, die auf einmal pro Kapillare gelesen werden kann, liegt allerdings bei etwa 400 Basen, was den Durchsatz pro Tag auf etwa 1 Mio. Basen pro Gerät reduziert.This procedure is largely automated. The largest devices from the market leader Applied Biosystems from the USA have up to 96 parallel capillaries with a reading capacity of 650 bases per measurement and capillary and thus up to 1.5 million bases per device and day (24 h). However, the maximum length that can be read at once per capillary is about 400 bases, which reduces throughput per day to about 1 million bases per device.
Das Verfahren ist ausgereift und breit etabliert. Die hohen Kosten machen einen Einsatz aber nur bei der erstmaligen Sequenzierung und zur Kontrolle einer moderaten Anzahl an Proben im Re-Sequencing und Genotyping wirtschaftlich sinnvoll. Um weniger wichtige Organismen oder größere Gruppen oder gar individuelle Patienten sequenzieren zu können, bedarf es einer erheblichen Kostenreduktion.The process is mature and well established. However, the high cost makes a use economically only in the first sequencing and to control a moderate number of samples in the re-sequencing and genotyping. To be able to sequence less important organisms or larger groups or even individual patients, a significant cost reduction is required.
2.2 Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR)2.2 Polymerase Chain Reaction (PCR)
Die PCR und verwandte Verfahren nutzen besonders temperaturstabile Enzyme, welche der Natur entnommen wurden, um die DNA oder auch RNA vergleichbar den Prozessen in einer
Zelle zu vermehren. Dies ist notwendig, da in den meisten Fällen die DNA/RNA in der zu messenden Probe in so niedriger Konzentration vorliegt, dass die meisten Messmethoden diese nicht detektieren können. Das PCR- Verfahren ist eine „ one-pot-reaction ", bei der zyklisch dieThe PCR and related methods use particularly temperature-stable enzymes, which were taken from nature, the DNA or RNA comparable to the processes in one Cell to multiply. This is necessary because in most cases the DNA / RNA is present in the sample to be measured in such a low concentration that most measuring methods can not detect them. The PCR method is a "one-pot-reaction" in which cyclically
Temperatur variiert wird: Vom Denaturierungsschritt bis nahe an 100°C, Anlagerungsschritten bei ca. 5O0C bis 65°C bis zu enzymatischen Schritten mit ca. 72°C. Das Ergebnis ist je nachTemperature is varied: from the denaturation step to near 100 ° C, addition steps at about 5O 0 C to 65 ° C to enzymatic steps at about 72 ° C. The result is depending on
Assay eine lineare oder auch exponentielle Vervielfältigung der Sequenz zwischen zwei geeignet gewählten Primern, Oligonukleotiden mit der Komplementärsequenz zum Bereich, an welchemAssay a linear or exponential amplification of the sequence between two suitably chosen primers, oligonucleotides with the complementary sequence to the region at which
-sie sich anlagern, und die die Enzymreaktion damit ermöglichen. Durch die Auswahl der- They attach themselves, and allow the enzyme reaction with it. By selecting the
Primersequenzen lässt sich der Bereich festlegen, welcher vervielfältigt, sprich amplifiziert, -wird. Dies wird neben der Probenvorbereitung für andere Detektionsverfahren, wie z.B. DNA- Arrays, aber auch direkt für die Detektion verwendet. Bei der Nutzung der PCR als Analysemethode (direkte Detektion) wird das Produkt einer Amplifikation eingefärbt und detektiert. Alleine das Vorhandensein einer oder mehrerer erfolgreicher Amplifikationen in einem bestimmten Ausgangsmaterial erlaubt eine Erkennung. Das Verfahren ist weit etabliert und anerkannt und liefert insbesondere in kalibrierter Form als quantitative PCR zuverlässige Ergebnisse. Das PCR-Verfahren hat jedoch zwei wesentliche Schwachpunkte. Der eine sind die relativ hohen Kosten für ein Primerpaar. Dieser Nachteil reduziert sich, wenn man ein Primerset für mehrere Reaktionen nutzt. Eine Faustformel sind hier 100 Reaktionen mit einem Set. Der zweite Nachteil, insbesondere bei weniger gut verstandenen oder komplexen Analysen liegt darin, dass man keinerlei Information über die Sequenz zwischen den beiden Primern erhält. Somit kann auch eine beliebige andere Sequenz vervielfältigt worden sein, welche die beiden Primersequenzen enthält und die nahe genug beieinander liegen, so dass eine Überlappung stattfinden konnte. Dieser Nachteil wird bei der Verwendung der PCR als Analyseverfahren durch mehrere Primersets adressiert. Die Wahrscheinlichkeit, dass gleich mehrere sehr unterschiedliche Primer in unbekanntem Material erfolgreich amplifizieren ist statistisch gesehen entsprechend niedriger.Primer sequences can be defined as the area that will be duplicated, that is amplified, -will. This is in addition to the sample preparation for other detection methods, e.g. DNA arrays, but also used directly for detection. When using the PCR as an analytical method (direct detection), the product of an amplification is colored and detected. The mere presence of one or more successful amplifications in a given starting material allows detection. The method is widely established and recognized and provides reliable results, especially in calibrated form as quantitative PCR. However, the PCR method has two major weaknesses. One is the relatively high cost of a primer pair. This disadvantage is reduced by using a primer set for several reactions. A rule of thumb here are 100 reactions with a set. The second disadvantage, especially in less well understood or complex analyzes, is that one does not obtain any information about the sequence between the two primers. Thus, any other sequence that contains the two primer sequences and that are close enough to one another may have been amplified so that an overlap could take place. This disadvantage is addressed by the use of PCR as a method of analysis by several primer sets. The probability of successfully amplifying several very different primers in unknown material is correspondingly lower statistically.
Wenn man die Signale einer PCR-Amplifikation in Echtzeit Zyklus für Zyklus erfasst (RT-PCR), so kann man die Messung durch Eichkurven kalibrieren und damit quantitative Ergebnisse erzielen (qPCR bzw. qRT-PCR). Dieses Verfahren ist mittlerweile sehr ausgereift und ein Referenzstandard für andere Messmethoden wie DNA-Arrays. Mittels quantitativer RT- PCR lassen sich auch sehr präzise Expressionsprofile erstellen. Die Kosten und der Durchsatz limitieren jedoch die Anzahl an Analysen. Die Firma Applied Biosystems ist auch hier Marktführer mit einem System, welches 384 parallele qRT-PCR Reaktionen in 3 Stunden durchführt, welche für das „Genotyping" oder auch das „Expression Profiling" verwendet
werden können. Die Limitation in Verfügbarkeit und Kosten für alle PCR-Anwendungen sind die Oligonukleotide, welche als Primer verwendet werden.If you record the signals of a PCR amplification in real-time cycle-by-cycle (RT-PCR), you can calibrate the measurement by calibration curves and obtain quantitative results (qPCR or qRT-PCR). This method is now very mature and a reference standard for other measurement methods such as DNA arrays. Quantitative RT-PCR can also be used to generate very precise expression profiles. However, the cost and throughput limit the number of analyzes. The company Applied Biosystems is also the market leader with a system that performs 384 parallel qRT-PCR reactions in 3 hours, which are used for "genotyping" or "expression profiling" can be. The limitation in availability and cost for all PCR applications are the oligonucleotides used as primers.
2.3 Hochparallele „Sequencing by Synthesis" Methoden Es existieren verschiedene Methoden für die Sequenzaufklärung kurzer Nukleinsäure- abschnitte mit sehr hohen Durchsätzen. Diese Methoden wurden in der Regel als kostengünstige Alternativen für die Sanger-Sequenzierung entwickelt, um schnellen Zugang zu neuen Genomsequenzen zu erhalten. Grundprinzip ist die Erzeugung und Immobilisierung einer sehr hohen Zahl von Primer/Templat-Komplexen, die anschließend von einer DNA-Polymerase prozessiert werden. Die Immobilisierung kann dabei auf flachen Chips oder Beads erfolgen. Anschließend wird durch schrittweisen Einbau von dNTPs (Desoxynukleosidtriphosphaten) und die Erzeugung eines vom Einbau abhängigen optischen Signals die Sequenz der einzelnen Template in Bereichen von einigen Nukleotiden aufgeklärt. Die einzelnen Sequenzen werden dann durch computergestützte Auswertung assembliert und es wird so versucht, längere, zusammenhängende Sequenzbereiche aufzuklären. Der Prozess kann unter vorhergehender Amplifikation der zu untersuchenden Genabschnitte erfolgen, wie z.B. in von 454 Life Sciences oder Solexa entwickelten Testsystemen (Bennett S.T., Barnes C, Cox A., Davies L., Brown C, Pharmacogenomics 2005 Jun; 6(4):373-82. Warren R.L., Sutton G.G., Jones S.J., Holt R.A., Bioinformatics 2006 Dec 8; [Epub ahead of print]. Bentley D.R. Curr Opin Genet Dev, 2006 Dec; 16(6):545-52. Bennett S., Pharmacogenomics 2004 Jun; 5(4):433-8. Margulies, M. Eghold, M. et al. Nature 2005 Sep 15; 437(7057):326-7. Patrick Ng, Jack J.S. Tan, Hong Sain Ooi, Yen Ling Lee, Kuo Ping Chiu, Melissa J. Fullwood, Kandhadayar G. Srinivasan, Clotilde Perbost, Lei Du, Wing-Kin Sung, Chia-Lin Wei and Yijun Ruan, Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 34, No. 12. Robert Pinard, Alex de Winter, Gary J Sarkis, Mark B Gerstein, Karrie R Tartaro, Ramona N Plant, Michael Egholm, Jonathan M Rothberg, and John H Leamon, BMC Genomics 2006, 7:216. John H. Leamon, Michael S. Braverman and Jonathan M. Rothberg, Gene Therapy and Regulation, Vol. 3, No. 1 (2007) 15-31).2.3 Highly Parallel "Sequencing by Synthesis" Methods There are several methods available for the sequencing of short nucleic acid sequences with very high throughputs, which have generally been developed as cost-effective alternatives for Sanger sequencing to provide rapid access to new genome sequences is the generation and immobilization of a very large number of primer / template complexes, which are then processed by a DNA polymerase immobilized on flat chips or beads, followed by the step-by-step incorporation of dNTPs (deoxynucleoside triphosphates) and production The sequence of the individual templates in areas of a few nucleotides is elucidated by an optical signal dependent on the incorporation, and the individual sequences are then assembled by computer-aided evaluation, trying to elucidate longer, coherent sequences may be carried out with prior amplification of the gene sections to be examined, e.g. in test systems developed by 454 Life Sciences or Solexa (Bennett ST, Barnes C, Cox A., Davies L., Brown C, Pharmacogenomics 2005 Jun; 6 (4): 373-82) Warren RL, Sutton GG, Jones SJ, Holt RA, Bioinformatics 2006 Dec 8; Bentley DR Curr Opin Genet Dev, 2006 Dec; 16 (6): 545-52, Bennett S., Pharmacogenomics 2004 Jun; 5 (4): 433-8. Margulies, M. Eghold, M. et al., Nature 2005 Sep 15; 437 (7057): 326-7, Patrick Ng, Jack JS Tan, Hong Sain Ooi, Yen Ling Lee, Kuo Ping Chiu, Melissa J. Fullwood, Kandhadayar G. Srinivasan, Clotilde Perbost, Lei Du, Wing-Kin Sung, Chia-Lin Wei and Yijun Ruan, Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 34, No. 12. Robert Pinard, Alex de Winter, Gary J Sarkis, Mark B Gerstein, Karrie R Tartaro, Ramona N Plant, Michael Egholm, Jonathan M Rothberg, and John H Leamon, BMC Genomics 2006, 7: 216, John H. Leamon, Michael S. Braverman and Jonathan M. Rothberg, Gene Therapy and Regulation, Vol. 3, No. 1 (2007) 15-31).
Alternativ wurden Methoden entwickelt, die auf eine Einzelmolekülanalyse ohne vorherige Amplifikation abzielen (Helicos Biosciences). Generell kann die Erzeugung des Signals durch Lumineszenz in Abhängigkeit von Pyrophosphatbildung während des Einbaus erfolgen (454 Life Sciences), analog der bekannten Pyrosequencing-Technologie. Alternativ können fluoreszenzmarkierte dNTPs verwendet werden, die eine 3 '-OH-Schutzgruppe enthalten, die eine weitere Verlängerung nach einem Einzeleinbau verhindert. Nach Einbau eines dNTPs wird die am Primer/Templat-Komplex vorhandene Fluoreszenz detektiert und anschließend die
3'-0H-Schutzgruppe sowie das Fluorophor abgespalten, so dass ein neuer Zyklus aus Einbau, Detektion und Abspaltung erfolgen kann. Es können dabei alle vier dNTPs mit unterschiedlichen Fluorophoren parallel angeboten werden oder sequentiell jeweils ein einzelnes; in diesem Falle ist nur eine Einfarbendetektion notwendig.Alternatively, methods have been developed that target single-molecule analysis without prior amplification (Helicos Biosciences). In general, the generation of the signal by luminescence as a function of pyrophosphate formation during installation can be done (454 Life Sciences), analogous to the known pyrosequencing technology. Alternatively, fluorescently labeled dNTPs can be used which contain a 3 'OH protecting group which prevents further extension after a single installation. After incorporation of a dNTP, the fluorescence present on the primer / template complex is detected and then the 3'-0H protecting group and the fluorophore cleaved so that a new cycle of incorporation, detection and cleavage can take place. All four dNTPs with different fluorophores can be offered in parallel or sequentially one single each; in this case, only a single color detection is necessary.
2.4 DNA-Microarrays2.4 DNA microarrays
Die am meisten verbreitete Methode für das Expression Profüing sind DNA-Arrays. Auf diesen Arrays werden in Zeilen und Spalten kurze DNA- oder RNA-Abschnitte ortsaufgelöst gebunden oder vor Ort synthetisiert. Für jedes Gen, dessen Expression analysiert werden soll, werden ein oder mehrere Oligos verwendet. Wie bei der PCR erhöhen mehrere Oligos die statistische Sicherheit des Verfahrens. Weitere Parameter für die Qualität der Arraymessung sind die Oligoqualität, -länge, -sequenzauswahl und die Durchführung der Hybridisierungsreaktion. Es gibt diese Arrays für alle bekannten Gene des menschlichen Genoms sowie für einige andere wichtige Modellorganismen. Daneben gibt es noch verschiedene Themen- Arrays, auf denen sich Oligos befinden, welche für Gene kodieren, welche einer Funktion oder einem Krankheitsbild zugeordnet werden.The most common method for expression profiling is DNA arrays. On these arrays, short DNA or RNA segments are spatially resolved in rows and columns or synthesized on site. For each gene whose expression is to be analyzed, one or more oligos are used. As with PCR, several oligos increase the statistical safety of the procedure. Further parameters for the quality of the array measurement are the oligo quality, length, sequence selection and the performance of the hybridization reaction. There are these arrays for all known genes of the human genome as well as for some other important model organisms. In addition, there are various topic arrays on which there are oligos, which code for genes that are assigned to a function or disease.
In der Regel muss das mit einem Array zu untersuchende Probengut mittels PCR amplifiziert werden. Hierzu wird eine generische PCR verwendet, bei der alle in der Probe exprimierten Gene vom universellen 3 '-Ende ausgehend amplifiziert werden. Dieses Gesamt- verfahren ermöglicht es, eine Vielzahl an Genen mit nur einer PCR-Reaktion zu vermehren und dann genspezifisch mit dem DNA-Array zu detektieren.As a rule, the sample material to be examined with an array must be amplified by means of PCR. For this purpose, a generic PCR is used in which all genes expressed in the sample are amplified starting from the universal 3 'end. This overall method makes it possible to multiply a large number of genes with only one PCR reaction and then to detect gene-specifically with the DNA array.
Bei der Verwendung von Arrays für das Genotyping liegt das Hauptproblem in der Probenamplifikation. Da die zu untersuchenden Positionen in unterschiedlichen Bereichen eines Genoms liegen, kann man mit einer PCR-Reaktion nur ein oder wenige Messpunkte amplifizieren. Da die Kosten für ein Primerset erheblich sind, limitiert dies erheblich die Anwendung von Arrays im Bereich Genotyping, da sehr schnell die Kosten für die vorgeschalteten PCR-Reaktionen die Kosten für die Analyse mittels Array überschreiten. Applied Biosystems adressiert diese Segmente deshalb auch mit einem parallelen PCR-System. Die Firmen Roche und Affymetrix haben im Jahr 2004 ein erstes Genotyping-Produkt auf den Markt gebracht, das für die Diagnostik zugelassen wurde. Im Amplichip werden je PCR möglichst viele SNPs mittels DNA-Array gemessen, um das Produkt noch wirtschaftlich einsetzbar zu machen. Ein breiter Einsatz dieses Vorgehens scheint aber technisch-wirtschaftlich eher unwahrscheinlich. Es bleibt als Engpass die Verfügbarkeit der individuellen Oligos als Primer.The main problem with sample amplification is the use of arrays for genotyping. Since the positions to be examined lie in different regions of a genome, it is possible to amplify only one or a few measurement points with a PCR reaction. Since the cost of a primer set is significant, this greatly limits the use of genotyping arrays because very quickly the cost of upstream PCR reactions exceeds the cost of array analysis. Applied Biosystems therefore also addresses these segments with a parallel PCR system. In 2004, Roche and Affymetrix launched the first genotyping product to be approved for diagnostics. In the Amplichip, as many SNPs per PCR as possible are measured by means of a DNA array in order to make the product economically viable. However, a widespread use of this approach seems rather unlikely from a technical-economic point of view. The bottleneck remains the availability of the individual oligos as primers.
Dem Fachmann ist die Herstellung von Mikroarrays durch die /n-s/ta-Synthese (Array-
Anordnung in einer Matrix) bekannt. Am weitesten verbreitet ist die zw-s/tw-Synthese in einer Array-Anordnung von synthetischen Nukleinsäuren bzw. Oligonukleotiden. Diese wird auf einem Substrat durchgeführt, das durch die Synthese mit einer Vielzahl unterschiedlicher Polymere beladen wird. Der große Vorteil der /«-s/Yw-Syntheseverfahren für Mikroarrays ist die Bereitstellung einer Vielzahl von Molekülen unterschiedlicher und definierter Sequenz an adressierbaren Lokationen auf einem gemeinsamen Träger. Die Synthese greift dabei auf ein überschaubares Set aus Einsatzstoffen zurück (bei DNA-Mikroarrays in der Regel die 4 Basen A, G, T und C) und baut aus diesen beliebige Sequenzen der Nukleinsäurepolymere auf.The person skilled in the art is the production of microarrays by the / ns / ta synthesis (array Arrangement in a matrix) known. The most widespread is the zw-s / tw synthesis in an array arrangement of synthetic nucleic acids or oligonucleotides. This is carried out on a substrate that is loaded by the synthesis with a variety of different polymers. The big advantage of the micro-array synthesis techniques is the provision of a large number of molecules of different and defined sequence at addressable locations on a common support. The synthesis relies on a manageable set of starting materials (in DNA microarrays usually the 4 bases A, G, T and C) and builds on these arbitrary sequences of nucleic acid polymers.
Die Abgrenzung der einzelnen Molekülspezies kann zum einen durch getrennte fluidische Kompartimente bei der Zugabe der Syntheseeinsatzstoffe erfolgen, wie es z.B. in der so genannten /n-s/ta-Spotting-Methode oder Piezoelektrischen Techniken der Fall ist, die auf der Tintenstrahldrucktechnik beruhen (A. Blanchard, in Genetic Engineering, Principles and Methods, Vol. 20, Ed. J. Sedlow, S. 111-124, Plenum Press; A. P. Blanchard, R. J. Kaiser, L. E. Hood, High-Density Oligonucleotide Arrays, Biosens. & Bioelectronics 11, S. 687, 1996). Eine alternative Methode ist die ortsaufgelöste Aktivierung von Syntheseplätzen, was z.B. durch selektive Belichtung oder selektive Zugabe von Aktivierungsreagenzien (Entschützungsreagenzien) möglich ist. Die Menge synthetisierter Moleküle einer Spezies ist bei den bisher bekannten Methoden verhältnismäßig gering, da in einem Mikroarray definitionsgemäß nur jeweils kleine Reaktionsbereiche für jeweils eine Sequenz vorgesehen werden, um möglichst viele Sequenzen im Array und damit für den funktionellen Einsatz abbilden zu können.The delimitation of the individual molecular species can be carried out by separate fluidic compartments during the addition of the synthetic ingredients, as described e.g. in the so-called / ns / ta spotting method or piezoelectric techniques based on the ink jet printing technique (A. Blanchard, in Genetic Engineering, Principles and Methods, Vol. 20, Ed. J. Sedlow, p. 111 -124, Plenum Press, AP Blanchard, RJ Kaiser, LE Hood, High-Density Oligonucleotide Arrays, Biosens. & Bioelectronics 11, p. 687, 1996). An alternative method is the spatially-resolved activation of synthetic sites, e.g. by selective exposure or selective addition of activating reagents (deprotection reagents). The amount of synthesized molecules of a species is relatively low in the previously known methods, since by definition only small reaction areas are provided for each sequence in a microarray in order to map as many sequences in the array and thus for the functional use.
Beispiele für die bisher bekannten Verfahren sind die photolithographische lichtgestützte Synthese [McGaIl, G. et al; J. Amer. Chem. Soc. 119; 5081-5090; 1997], die projektorbasierte lichtgestützte Synthese [PCT/EP99/06317], die fluidische Synthese mittels Trennung der Reaktionsräume, die indirekte projektorbasierte lichtgesteuerte Synthese mittels Photosäuren und geeigneter Reaktionskammern in einem mikrofluidischen Reaktionsträger, die elektronisch induzierte Synthese mittels ortsaufgelöster Entschützung an einzelnen Elektroden auf dem Träger und die fluidische Synthese mittels ortsaufgelöster Deposition der aktivierten Synthese- Monomere.Examples of the methods known hitherto are photolithographic light-assisted synthesis [McGalley, G. et al; J. Amer. Chem. Soc. 119; 5081-5090; 1997], the projector-based light-assisted synthesis [PCT / EP99 / 06317], the fluidic synthesis by means of separation of the reaction spaces, the indirect projector-based light-triggered synthesis by means of photoacids and suitable reaction chambers in a microfluidic reaction support, the electronically induced synthesis by means of spatially resolved deprotection on individual electrodes on the Support and fluidic synthesis by means of spatially resolved deposition of the activated synthesis monomers.
2.5 Micro RNAs2.5 Micro RNAs
MicroRNAs (miRNAs) sind RNA-Moleküle einer Länge von ca. 22 Nukleotiden und stellen die größte Gruppe von kleinen RNAs in Pflanzen und Tieren.MicroRNAs (miRNAs) are RNA molecules about 22 nucleotides in length and make up the largest group of small RNAs in plants and animals.
Es sind momentan ca. 250 miRNAs im Humangenom bekannt, bioinformatische
Methoden sagen jedoch eine deutlich größere Zahl voraus. Nach unterschiedlichen Berechnungen regulieren miRNAs vermutlich über 30 % aller humanen Gene und dementsprechend vielfaltig ist ihre Beteiligung an verschiedensten Prozessen wie der Entstehung von Krebs über die Steuerung von Transposonrelokationen, Stammzellbiologie oder Muskel- und Gehirnentwicklung. miRNAs werden aus Primärtranskripten (pri-miRNAs) durch zwei Schritte von Endoribonuklease-III-Prozessierungen herausgeschnitten, erst durch Drosha, das hairpinformige pre-miRNA produziert, dann durch Dicer, das siRNA-artige Doppelstrangkomplexe erzeugt. Reife miRNAs können dann durch unterschiedliche Mechanismen in die Genregulation eingreifen, etwa durch die Steuerung von mRN A- Verdau oder Bindung an die UTR-Regionen.There are currently about 250 miRNAs in the human genome known, bioinformatic However, methods predict a much larger number. According to various calculations, miRNAs presumably regulate more than 30% of all human genes and, accordingly, their involvement in a wide range of different processes, such as the development of cancer via the control of transposon relocations, stem cell biology or muscle and brain development. miRNAs are excised from primary transcripts (pri-miRNAs) by two steps of endoribonuclease III processing, first by Drosha, which produces hairpin-shaped pre-miRNA, then by Dicer, which produces siRNA-like double-stranded complexes. Mature miRNAs can then interfere with gene regulation through different mechanisms, such as by controlling mRN A digestion or binding to the UTR regions.
Verschiedene Verfahren zum Nachweis von kleinen RNAs wie miRNAs sind dem Fachmann bekannt. Ein einfaches Verfahren ist zum Beispiel klassische Northern Blot Hybridisierung, die neben der Sequenz auch Aussagen über die Länge einer RNA erlaubt, aber arbeitsintensiv ist und nur mit geringem Durchsatz durchgeführt werden kann. Eine weitere gelbasierte Methode mit den entsprechenden Nachteilen ist der „RNAse protection assay" (RPA).Various methods for the detection of small RNAs such as miRNAs are known in the art. A simple method is, for example, classic Northern blot hybridization, which in addition to the sequence also allows statements about the length of an RNA, but is labor intensive and can be performed only with low throughput. Another yellow-based method with the corresponding disadvantages is the "RNAse protection assay" (RPA).
Zum Nachweis kann auch eine Primer-Extension-Reaktion herangezogen werden. Hierbei wird ein gelabelter Primer an die miRNA hybridisiert, mit einer Polymerase verlängert und die Reaktionsmischung gelelektrophoretisch aufgetrennt und analysiert. Weit schnellere und für einen quantitativen Nachweis besser geeignete Verfahren beruhen auf PCR. Reverse Trancription/PCR kann verwendet werden, wenn Primer mit einem Loop eingesetzt werden, die eine universelle Sequenz einführen. Diese Universalsequenz wird dann für die PCR herangezogen.For proof also a primer extension reaction can be used. Here, a labeled primer is hybridized to the miRNA, extended with a polymerase and the reaction mixture gelelektrophoretisch separated and analyzed. Much faster and more suitable methods for quantitative detection rely on PCR. Reverse Trancription / PCR can be used when primers are inserted with a loop that introduce a universal sequence. This universal sequence is then used for the PCR.
Ein weiterer Ansatz für den Nachweis und die Quantifizierung von miRNAs ist die Anwendung von Mikroarrays. Besondere Herausforderungen entstehen dabei aus der geringen Länge der miRNAs sowohl für das Sondendesign als auch für Labelingprotokolle. Verschiedenste Methoden für das Labeling sind dem Fachmann bekannt, sowohl durch direktes Labeling mit Biotin oder Fluorophoren oder indirekt während der cDNA-Synthese oder der Amplifikation. Sowohl chemische als auch enzymatische Verfahren sind hierfür bekannt, z.B. basierend auf cis-Platin- Verbindungen, Periodat-Hydrazin-Labeling, T4 RNA-Ligase, PoIy-A- Polymerase oder Kopplung an aminomodifizierte RNAs. Bezüglich des Sondendesigns entstehen besondere Herausforderungen aus der geringen Länge von miRNAs vor allem im Hinblick auf die Signalstärke wegen geringer Duplex-Schmelztemperaturen. Hierfür können modifizierte Nukleotide oder die Verwendung von Tandem-Sonden bzw. Sonden mit mehr als 2
Bindungsstellen für miRNAs herangezogen werden.Another approach for the detection and quantification of miRNAs is the use of microarrays. Particular challenges arise from the short length of miRNAs for both probe design and labeling protocols. Various methods for labeling are known to the person skilled in the art, both by direct labeling with biotin or fluorophores or indirectly during cDNA synthesis or amplification. Both chemical and enzymatic methods are known for this purpose, for example based on cis-platinum compounds, periodate hydrazine labeling, T4 RNA ligase, poly-A polymerase or coupling to amino-modified RNAs. Concerning the probe design, special challenges arise from the short length of miRNAs, especially in terms of signal strength due to low duplex melting temperatures. For this purpose, modified nucleotides or the use of tandem probes or probes with more than 2 Binding sites for miRNAs are used.
2.6 PCR auf Oberflächen2.6 PCR on surfaces
Für verschiedene dem Fachmann bekannte Methoden der Nukleinsäureanalytik wie z.B. Sequencing-by-Synthesis-Methoden für Whole-Genome-Sequenzierungen oder Sequenzierungen großer Sequenzabschnitte aber auch für viele weitere Methoden ist es notwendig, PCR-Produkte auf Oberflächen zu generieren. Hierzu kommen insbesondere Bead-Systeme (z.B. 454 Life sciences Sequenzierer) oder Arrayoberflächen (Illumina-Solexa) zum Einsatz. Da es gegenwärtig kaum möglich ist, experimentbezogen und gezielt eine große Anzahl von Primersequenzen zu einem wirtschaftlichen Preis herzustellen, sind diese Methoden auf universelle Primersequenzen beschränkt, die in die zu untersuchenden Nukleinsäureabschnitte eingeführt werden müssen. Daraus resultiert, dass die einzelnen Sequenzen in einem Sequenzgemisch nicht gezielt ausgewählt werden können. Eine Aufgabenstellung wie die gezielte Sequenzierung einzelner Abschnitte eines Genoms ist daher nur möglich, wenn vorher spezifische Oligonukleotide generiert werden, die z.B. als Primer Einsatz finden.For various methods of nucleic acid analysis known to those skilled in the art, such as e.g. Sequencing-by-synthesis methods for whole-genome sequencing or sequencing of large sequence sections but also for many other methods make it necessary to generate PCR products on surfaces. In particular, bead systems (for example 454 life science sequencer) or array surfaces (Illumina-Solexa) are used. Since it is currently hardly possible experimentally and specifically to produce a large number of primer sequences at an economic price, these methods are limited to universal primer sequences, which must be introduced into the nucleic acid sections to be examined. As a result, the individual sequences in a sequence mixture can not be selected specifically. A task such as the targeted sequencing of individual sections of a genome is therefore only possible if previously generated specific oligonucleotides, e.g. find use as a primer.
Für die Parallele Amplifikation einer großen Zahl unterschiedlicher Sequenzen müssen außerdem besondere Voraussetzungen geschaffen werden, die ein Kreuzreagieren während der PCR verhindern. Dies kann zum Beispiel durch Einschluss einzelner Beads, die nur eine Targetsequenz tragen, in Tröpfchen einer Wasser-in-Öl-Emulsion geschehen, oder durch räumliche Isolierung auf Chipoberflächen.For the parallel amplification of a large number of different sequences also special conditions must be created that prevent cross-reacting during the PCR. This can be done, for example, by inclusion of individual beads carrying only one target sequence in droplets of a water-in-oil emulsion, or by spatial isolation on chip surfaces.
Es besteht beim gegenwärtigen Stand der Technik ein großer Bedarf an Methoden zur Generierung einer Vielzahl von Oligonukleotidsequenzen und ihrer gleichzeitigen Nutzung unter räumlicher Isolierung einzelner PCRs innerhalb eines komplexen Probengemisches an Templatmolekülen.There is a great need in the current state of the art for methods for generating a variety of oligonucleotide sequences and their simultaneous use by spatially isolating individual PCRs within a complex sample mixture of template molecules.
2.7 Pathogene2.7 Pathogens
Die Molekulare Diagnostik in Bezug auf die Detektion, Quantifizierung und Geno typisierung von Mikroorganismen und Viren hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht. Intensive Forschung an Genomen pathogener Organismen hat die Nutzung ihrerMolecular diagnostics in the detection, quantification and genotyping of microorganisms and viruses has made tremendous progress in recent years. Intensive research on genomes of pathogenic organisms has exploited their use
DNA/RNA als analytische Zielmoleküle vorangetrieben und den Anteil phänotypischer Assays in diesem Feld reduziert.Driven by DNA / RNA as analytical targets and reduced the proportion of phenotypic assays in this field.
Als Genotyp-basierte Methoden werden momentan verschiedene Methoden verwendet. Direkte Hybridisierungen mit markierten Oligonukleotiden werden für Kulturanalysen
verwendet.Currently, various methods are used as genotype-based methods. Direct hybridizations with labeled oligonucleotides are used for culture analyzes used.
Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) ist eine attraktive Methode für die Detektion und Identifizierung von Mikroorganismen direkt von Abstrichen. Diese Methoden sind allerdings unsensitiv und daher auf sehr häufige Nukleinsäuremoleküle beschränkt, wie z.B. ribosomale RNAs.Fluorescence in situ hybridization (FISH) is an attractive method for the detection and identification of microorganisms directly from smears. However, these methods are insensitive and therefore limited to very common nucleic acid molecules, e.g. ribosomal RNAs.
Array-basierte Methoden können für die Analyse einer großen Zahl von Zielmolekülen herangezogen werden, jedoch ist hierfür in der Regel eine Amplifϊkation und Markierung der Zielmoleküle notwendig.Array-based methods can be used to analyze a large number of target molecules, but this usually requires amplification and labeling of the target molecules.
Die Einführung von homogenen Nachweisverfahren, die Markierung und Amplifikation integrieren, hat stark zur Akzeptanz von molekulardiagnostischen Methoden beigetragen.The introduction of homogeneous detection methods that integrate labeling and amplification has greatly contributed to the acceptance of molecular diagnostic methods.
Insbesondere quantitative Real-time-PCR ist mittlerweile eine weit verbreitete Methode. Als signalgebende Verfahren haben sich dabei verschiedene Methoden durchgesetzt, wie z.B.In particular, quantitative real-time PCR has become a widely used method. In this case, different methods have become established as signaling methods, such as e.g.
Taqman Sonden, Molecular Beacons, Scorpion Primer, Sunrise Primers, DNA-Intercalatoren oder Minor Groove Binder. Diese Methoden erlauben insbesondere den Nachweis seltener Nukleinsäuren in Probengemischen, etwa zur Detektion von geringen Viruskonzentrationen.Taqman Probes, Molecular Beacons, Scorpion Primers, Sunrise Primers, DNA Intercalators or Minor Groove Binder. These methods allow in particular the detection of rare nucleic acids in sample mixtures, for example for the detection of low virus concentrations.
Sequenzierbasierte Methoden werden ebenfalls eingesetzt, sind aber meist beschränkt auf häufige Nukleinsäuren wie ribosomale RNA.Sequencing-based methods are also used, but are usually limited to common nucleic acids such as ribosomal RNA.
Neben der Detektion und Identifizierung von Mikroorganismen bzgl. ihres Genus oder ihrer Spezies ist eine genauere Genotypisierung notwendig um Pathogene effizient zu bekämpfen, Populationen zu monitoren und epidemiologische Gefahren abzuschätzen.In addition to detecting and identifying microorganisms in terms of their genus or species, more accurate genotyping is needed to effectively combat pathogens, monitor populations, and assess epidemiological threats.
Die verbreitetsten Methoden in dieser Richtung sind Makro-Restriktionsanalysen von totaler genomischer DNA oder PCR-basierte Methoden für die Genomtypisierung. Bekannte Beispiele sind auch
(PFGE) und Ribotyping.The most common methods in this direction are macro-restriction analyzes of total genomic DNA or PCR-based methods for genome typing. Well-known examples are also (PFGE) and ribotyping.
3 Gegenstand der Erfindung und damit gelöste Aufgabe3 Subject of the invention and thus solved problem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die molekularbiologische Prozessierung einesThe invention is based on the object molecular biological processing of a
Gemisches von biologischen Proben, wie Proteinen und Nukleinsäuren, zu vereinfachen und mehr als einen molekularbiologischen Arbeitsschritt durchfuhren zu können, ohne dass die Proben aufwendig gereinigt und von einem Reaktionsgefäß in das nächste transferiert werden müssen.Mixture of biological samples, such as proteins and nucleic acids, to simplify and perform more than one molecular biological work step, without the samples must be laboriously cleaned and transferred from one reaction vessel to the next.
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte molekularbiologische Prozessanlage.In particular, the invention relates to an improved molecular biology process plant.
Gegenstand der Erfindung ist daher eine verbesserte molekularbiologische Prozessanlage
sowie ein verbessertes Verfahren zur Prozessierung biologischer Proben. Diese Erfindung kombiniert die Bereitstellung biologisch funktionaler Molekülen wie Nukleinsäuren und Peptiden sowie von Derivaten oder Analoga dieser beiden Molekülklassen in miniaturisierten Flusszellen mit der seriellen Zugabe von Reagenzien oder Fluiden und dient der Bearbeitung biologischer Proben, wie Proteinen, Nukleinsäuren, biogener kleiner Moleküle wie z.B. Metaboliten, Viren oder Zellen, die dazu in die miniaturisierten Flusszellen eingebracht werden. Das zu bearbeitende Material wird durch mehrere Prozessschritte hindurch in einem im wesentlichen unveränderten Reaktionsraum gebunden gehalten, dessen vorgeschaltete Anpassung an spezifische Proben durch eine orts- oder/und zeitaufgelöste Immobilisierung biologisch funktionaler Moleküle wie Nukleinsäuren, Peptiden und ihren Derivaten oder Analoga in den miniaturisierten Flusszellen in einer Anordnung als Mikroarray erfolgt.The invention is therefore an improved molecular biology process plant and an improved method for processing biological samples. This invention combines the provision of biologically functional molecules such as nucleic acids and peptides as well as derivatives or analogs of these two classes of molecules in miniaturized flow cells with the serial addition of reagents or fluids and serves to process biological samples such as proteins, nucleic acids, biogenic small molecules such as metabolites, Viruses or cells that are introduced into the miniaturized flow cells. The material to be processed is held bound through several process steps in a substantially unchanged reaction space, whose upstream adaptation to specific samples by a spatially or / and time-resolved immobilization of biologically functional molecules such as nucleic acids, peptides and their derivatives or analogues in the miniaturized flow cells in an arrangement takes place as a microarray.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die erfindungsgemäße molekularbiologische Prozessanlage ein Verfahren zur verbesserten Analyse von Sequenz, chemischer oder biochemischer Modifikation und Quantität von Nukleotidsequenzen. Dies wird erreicht durch Kombination von selektiver räumlich aufgelöster Bindung der Analyten an einen in den miniaturisierten Flusszellen synthetisierten Array aus hybridisierfähigen Sonden und optionaler sequenzunspezifischer oder sequenzspezifischer Amplifikation, insbesondere DNA- Amplifikation. Dabei verwendet das Verfahren ein bis mehrere Wasch-Trenn-Schritte sowie Amplifikations-Schritte. Die in der miniaturisierten Flusszelle synthetisierten, hybridisierfähigen Sonden können zu diesem Zweck chemisch oder biochemisch verändert werden. Alle Schritte des Verfahrens können in einer bevorzugten Ausführungsform optional optisch überwacht werden, z.B. durch einen flächigen und damit zum Array parallelen oder im Wesentlichen parallelen Detektor. Während die Reaktionszyklen durchlaufen werden oder danach kann ein optisch detektierbares Ergebnis, z.B. die Lokalisation und die Quantität optischer Marker wie z.B. Fluoreszenzmarker, erfasst werden.In a preferred embodiment, the molecular biology process plant of the invention enables a method for improved analysis of sequence, chemical or biochemical modification, and quantity of nucleotide sequences. This is achieved by combining selective spatially resolved binding of the analytes to an array of hybridizable probes synthesized in the miniaturized flow cells and optional sequence-unspecific or sequence-specific amplification, in particular DNA amplification. The process uses one to several wash-separation steps and amplification steps. The hybridizable probes synthesized in the miniaturized flow cell may be chemically or biochemically altered for this purpose. All steps of the method may optionally be optically monitored in a preferred embodiment, e.g. by a planar and thus parallel to the array or substantially parallel detector. While the reaction cycles are being run or thereafter, an optically detectable result, e.g. the location and quantity of optical markers, e.g. Fluorescence marker, to be detected.
Die erfindungsgemäße Prozessanlage verfügt vorzugsweise über ein oder mehrere Heizelemente, die die Temperatur in einer oder mehreren Flusszellen erhöhen können, und vorzugsweise über ein oder mehrere Kühlelemente, die die Temperatur in einer oder mehreren Flusszellen herabsetzen können. In der erfindungsgemäßen Anlage können die verschiedenen zyklischen Schritte automatisiert oder teilweise automatisiert werden. Damit bietet sie wesentliche Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die erfindungsgemäße molekularbiologische Prozessanlage Verfahren zur verbesserten Analyse von sequenzspezifischen Bindungs- und/oder Modifikationsereignissen zwischen Proteinen und
den in der miniaturisierten Flusszelle synthetisierten, hybridisierfähigen Sonden. Die in der miniaturisierten Flusszelle synthetisierten, hybridisierfahigen Sonden können zu diesem Zweck chemisch oder biochemisch verändert werden. Dabei verwendet das Verfahren ein bis mehrere Wasch-Trenn-Schritte. Alle Schritte des Verfahrens können in einer bevorzugten Ausführungsform optional optisch überwacht werden, z.B. durch einen flächigen und damit im Wesentlichen parallelen Detektor. Während die Zyklen laufen oder danach kann ein optisch detektierbares Ergebnis, z.B. die Lokalisation und Quantität von optischen Markern wie z.B. Fluoreszenzmarkern, erfasst werden.The process plant according to the invention preferably has one or more heating elements which can increase the temperature in one or more flow cells, and preferably via one or more cooling elements, which can lower the temperature in one or more flow cells. In the system according to the invention, the various cyclic steps can be automated or partially automated. Thus, it offers significant improvements over the prior art. In a further preferred embodiment, the molecular biological process system according to the invention enables methods for improved analysis of sequence-specific binding and / or modification events between proteins and proteins the hybridizable probes synthesized in the miniaturized flow cell. The hybridizable probes synthesized in the miniaturized flow cell may be chemically or biochemically altered for this purpose. The process uses one to several wash-separation steps. In a preferred embodiment, all steps of the method can optionally be monitored optically, for example by means of a planar and therefore substantially parallel detector. While the cycles are running or after, an optically detectable result, eg, the location and quantity of optical markers such as fluorescent markers, can be detected.
4 Kurze Beschreibung der Abbildungen4 Brief description of the illustrations
Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher auf dem Reaktionsträger Sondenmoleküle 1 synthetisiert wurden, an die zu analysierende Moleküle 2b binden. Ausgehend vom Sondenmolekül 1 synthetisiert eine Polymerase 4b die jeweiligen Komplementärstränge der zu analysierenden Moleküle. Figur 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher auf dem ReaktionsträgerFIG. 1 shows an embodiment of the invention in which probe molecules 1 were synthesized on the reaction support, to which molecules 2b to be analyzed bind. Starting from the probe molecule 1, a polymerase 4b synthesizes the respective complementary strands of the molecules to be analyzed. Figure 2 shows an embodiment of the invention in which on the reaction support
Sondenmoleküle 1 synthetisiert wurden, an die ein Molekül 6 angeknüpft wurde. An das Molekül 6 wurde ein Adaptermolekül 7b angeknüpft. Ausgehend von einem Primer 8b, der an Molekül 6 gebunden hat, synthetisiert eine Polymerase 4 aus Bausteinen 9a den zu Molekül 6 komplementären Strang. Bausteine 9a tragen eine signalgebende Gruppe, die während des Einbaus oder danach entfernt werden kann, so dass der gebildete Strang verknüpfte Bausteine 9b mit signalgebender Gruppe oder verknüpfte Bausteine 9c mit entfernter signalgebender Gruppe enthält.Probe molecules 1 were synthesized, to which a molecule 6 was attached. An adapter molecule 7b was attached to the molecule 6. Starting from a primer 8b which has bound to molecule 6, a polymerase 4 from building blocks 9a synthesizes the strand complementary to molecule 6. Blocks 9a carry a signaling group which may be removed during or after installation so that the formed string contains linked signaling group blocks 9b or associated blocks 9c with the remote signaling group removed.
Figur 3 zeigt eine tabellarische Aufstellung von Polymerasen, deren Eignung für die Verwendung in der erfindungsgemäßen Prozessanlage und den erfindungsgemäßen Verfahren untersucht wurde.FIG. 3 shows a tabular list of polymerases whose suitability for use in the process plant according to the invention and the processes according to the invention has been investigated.
Figur 4 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Reaktionsträgers, auf dem DNA-Sondenmoleküle synthetisiert wurden, die über das 5 '-Ende an die Oberfläche geknüpft sind und ein freies 3'-OH- Ende aufweisen. Das Bild wurde aufgenommen nach Hybridisierung des Reaktionsträgers mit einem PCR-Produkt und Inkubation mit unterschiedlichen Polymerasen, dNTPs und dNTPs mit signalgebenden Gruppen in geeignetem Reaktionspuffer. Verwendete Polymerasen von links nach rechts: T7 DNA-Polymerase, Sequenase, Phi29, T4 DNA-Polymerase, Klenow-Fragment, Klenow-Fragment exo- und Bst DNA-Polymerase.FIG. 4 shows a fluorescence image of a reaction support on which DNA probe molecules were synthesized, which are attached to the surface via the 5 'end and have a free 3'-OH end. The image was taken after hybridization of the reaction support with a PCR product and incubation with different polymerases, dNTPs and dNTPs with signaling groups in a suitable reaction buffer. Polymerases used from left to right: T7 DNA polymerase, Sequenase, Phi29, T4 DNA polymerase, Klenow fragment, Klenow fragment exo- and Bst DNA polymerase.
Figur 5 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Reaktionsträgers, auf dem DNA-Sondenmoleküle synthetisiert wurden, die über das 5 '-Ende an die Oberfläche geknüpft sind und ein freies 3'-OH-
Ende aufweisen. Das Bild wurde aufgenommen nach Hybridisierung des Reaktionsträgers mit einem PCR-Produkt und Inkubation mit unterschiedlichen Polymerasen, dNTPs und dNTPs mit signalgebenden Gruppen in geeignetem Reaktionspuffer. Verwendete Polymerasen von links nach rechts: Taq DNA-Polymerase, 9°N, Vent DNA-Polymerase, Vent- DNA-Polymerase, Pfu DNA-Polymerase, Therminator, Phusion Hotstart.FIG. 5 shows a fluorescence image of a reaction support on which DNA probe molecules were synthesized, which are attached to the surface via the 5 'end and form a free 3'-OH reagent. Have end. The image was taken after hybridization of the reaction support with a PCR product and incubation with different polymerases, dNTPs and dNTPs with signaling groups in a suitable reaction buffer. Used polymerases from left to right: Taq DNA polymerase, 9 ° N, Vent DNA polymerase, Vent DNA polymerase, Pfu DNA polymerase, Therminator, Phusion Hotstart.
Figuren 6A bis 6F zeigen Fluoreszenzwerte (willkürliche Einheiten) eines Reaktionsträgers mit auf der Oberfläche synthetisierten selbstkomplementären Hairpin-Sonden nach Verlängerung durch verschiedene Polymerasen unter Einbau signalgebender Gruppen und anschließender Fluoreszenzdetektion. Hierzu wurden inverse Sonden (5 '-3 '-Synthese) mit einer Länge zwischen 27 und 30 Nukleotiden entworfen, die über einen T-Tetraloop mit sich selbst paaren (siehe Figur 6G). Die verwendeten DNA-Polymerasen sind: Figur 6A Vent; 6B Vent-; 6C, Pfu; 6D Therminator, 6E Phusion Hotstart, Figur 6F Klenow Fragment E. coli DNA- Polymerase I. Es wurden verschiedene Sequenzen für den Paarungsbereich (Stern) getestet und die Länge des Sterns zwischen 4 und 7 Nukleotiden variiert (4stem - 7stem). Es wurden außerdem unterschiedliche Einzelstrangtemplatsequenzen getestet, die von der jeweiligen DNA Polymerase kopiert werden sollten. In dieser Templatsequenz wurde durch Anwesenheit von 1 -3 Adenosinnukleotiden für den Einbau von 1-3 biotinmarkierten dUTP kodiert, um die Abhängigkeit der Fluoreszenz von der Anzahl der eingebauten Biotine zu testen (siehe 6F, 1 Bio - 3 Bio). 6F zeigt exemplarisch Daten für Reaktionen mit dem 3'-5'-exonukleasedefizienten Klenow Fragment der E. coli DNA Polymerase I (KF-). Es ist eine Zunahme der Verlängerungseffizienz mit zunehmender Stemlänge erkennbar. Die Zunahme der Fluoreszenz in Abhängigkeit von der Anzahl der kodierten Biotinmarker verläuft dabei annähernd linear.Figures 6A to 6F show fluorescence values (arbitrary units) of a reaction support with self-complementary hairpin probes synthesized on the surface after extension by various polymerases incorporating signaling groups and subsequent fluorescence detection. To this end, inverse probes (5'-3 'synthesis) with a length between 27 and 30 nucleotides were designed, which pair with each other via a T-tetraloop (see FIG. 6G). The DNA polymerases used are: Figure 6A Vent; 6B Vent; 6C, Pfu; 6D Therminator, 6E Phusion Hotstart, Figure 6F Klenow fragment E. coli DNA polymerase I. Different sequences for the mating region (star) were tested and the length of the star varied between 4 and 7 nucleotides (4-stem - 7-stem). In addition, different single strand template sequences were tested, which should be copied from the respective DNA polymerase. In this template sequence, the presence of 1 -3 adenosine nucleotides encoded the incorporation of 1-3 biotin labeled dUTP to test the dependence of fluorescence on the number of incorporated biotins (see 6F, 1 Bio - 3 Bio). 6F exemplifies data for reactions with the 3'-5'-exonuclease-deficient Klenow fragment of E. coli DNA polymerase I (KF-). There is an increase in extension efficiency with increasing stem length. The increase in fluorescence as a function of the number of coded biotin markers proceeds approximately linearly.
Figur 7 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Reaktionsträgers, auf dem DNA-Sondenmoleküle synthetisiert wurden, die über das 3 '-Ende an die Oberfläche geknüpft sind und an die Primer hybridisiert wurden. Die Primer binden dabei an dem Ende des Sondenmoleküls, das der Reaktionsträgeroberfläche näher ist (d.h. proximales Ende). Das Bild wurde aufgenommen nach Inkubation mit unterschiedlichen Polymerasen, dNTPs und dNTPs mit signaltragenden Gruppen in geeignetem Reaktionspuffer. Verwendete Polymerasen von links nach rechts: T7 DNA- Polymerase, Sequenase, Phi29, T4 DNA-Polymerase, Klenow-Fragment, Klenow-Fragment exo- und Bst DNA-Polymerase. Der dunkel schattierte Pfeil gibt die Richtung der Anknüpfung von Bausteinen durch die Polymerase an.FIG. 7 shows a fluorescence image of a reaction support on which DNA probe molecules were synthesized, which are attached to the surface via the 3 'end and to which the primers were hybridized. The primers bind to the end of the probe molecule which is closer to the reaction support surface (i.e., proximal end). The image was taken after incubation with different polymerases, dNTPs and dNTPs with signal-carrying groups in a suitable reaction buffer. Polymerases used from left to right: T7 DNA polymerase, Sequenase, Phi29, T4 DNA polymerase, Klenow fragment, Klenow fragment exo- and Bst DNA polymerase. The dark shaded arrow indicates the direction of attachment of building blocks by the polymerase.
Figur 8 zeigt den Reaktionsträger aus Figur 7 nach Waschen mit Wasser. Figur 9 zeigt den Reaktionsträger aus Figur 8 nach erneuter Hybridisierung von Primern an die DNA-Sondenmoleküle und Inkubation mit unterschiedlichen Polymerasen, dNTPs und
dNTPs mit signaltragenden Gruppen in geeignetem Reaktionspuffer. Die in diesem zweiten Abschreibevorgang verwendeten Polymerasen sind von links nach rechts: Taq DNA- Polymerase, 9°N, Vent DNA-Polymerase, Vent- DNA-Polymerase, Pfu DNA-Po lymerase, Therminator, Phusion Hotstart. Figur 10 zeigt zwei Varianten der bevorzugten Ausführungsform „oH-c/φ-Ligation". Bei dieser bevorzugten Ausführungsform findet in Abhängigkeit eines zu analysierenden Probenmoleküls eine Verknüpfung zweier Sondenmoleküle statt. Der dunkel schattierte Pfeil gibt den Ort der Verknüpfung, d.h. Ligation, an. Die Ligation kann z.B. enzymatisch oder chemisch erfolgen. Figuren I IA und I IB zeigen zwei Varianten der bevorzugten Ausführungsform „PCR- on-chip". Beiden Varianten gemein ist die Verwendung einer locusspezifischen (und allelspezifischen) Sonde, die auf dem Reaktionsträger synthetisiert wurde und mit dem zu analysierenden Sequenzbereich des Probenmoleküls hybridisiert. In der in Figur I IA gezeigten Variante wird an das zu analysierende und/oder zu amplifizierende Probenmolekül ein so genannter „ Universal Tag" kovalent angefügt. Weiterhin wird ein „ Universal Primer" verwendet, der zu diesem „Universal Tag" komplementär ist. Die Amplifikation erfolgt zwischen dem Universal-Primer und der locusspezifischen (und allelspezifischen) Sonde. In Variante I IB wird kein „ Universal Tag" verwendet. Der hier verwendete Universal-Primer ist ein Gemisch aus so genannten Random-Primern, die an unterschiedlichen Stellen des zu analysierenden und/oder zu amplifizierenden Probenmoleküls binden. Die Amplifikation erfolgt zwischen der jeweiligen Bindungsstelle des Universal-Primers und der locusspezifischen (und allelspezifischen) Sonde.FIG. 8 shows the reaction support from FIG. 7 after washing with water. FIG. 9 shows the reaction support from FIG. 8 after renewed hybridization of primers to the DNA probe molecules and incubation with different polymerases, dNTPs and dNTPs with signal-carrying groups in a suitable reaction buffer. The polymerases used in this second copying procedure are from left to right: Taq DNA polymerase, 9 ° N, Vent DNA polymerase, Vent DNA polymerase, Pfu DNA polymerase, Therminator, Phusion Hotstart. Figure 10 shows two variants of the preferred embodiment "oH-c / φ-ligation." In this preferred embodiment, a linkage of two probe molecules occurs depending on a sample molecule to be analyzed: The dark shaded arrow indicates the site of linkage, ie, ligation. The ligation can be carried out, for example, enzymatically or chemically: Figures I IA and I IB show two variants of the preferred embodiment "PCR-on-chip". Common to both variants is the use of a locus-specific (and allele-specific) probe which has been synthesized on the reaction support and hybridizes with the sequence region of the sample molecule to be analyzed. In the variant shown in FIGURE IA, a so-called "universal tag" is covalently attached to the sample molecule to be analyzed and / or amplified .. Further, a "universal primer" is used, which is complementary to this "universal tag." Amplification takes place between the universal primer and the locus-specific (and allele-specific) probe In variant IB, no "universal tag" is used. The universal primer used here is a mixture of so-called random primers which bind at different sites of the sample molecule to be analyzed and / or amplified. The amplification takes place between the respective binding site of the universal primer and the locus-specific (and allele-specific) probe.
Figur 12 zeigt eine Ausführungsform, bei der reverse Transkription und PCR kombiniert werden. Die Amplifikation erfolgt dabei schließlich zwischen der polyA-Region der gebildeten cDNA und einer lokusspezifischen Sonde, die auf dem Reaktionsträger synthetisiert worden ist.Figure 12 shows an embodiment in which reverse transcription and PCR are combined. Finally, the amplification takes place between the polyA region of the cDNA formed and a locus-specific probe which has been synthesized on the reaction support.
Figur 13 zeigt die bevorzugte Ausführungsform „ microRNA capture-signal amplification ". Bei dieser wird microRNA durch Sondenmoleküle gebunden. MicroRNA kann daraufhin oder auch vorher mit einer universellen Sequenz markiert werden, z.B. einem Adeninstrang (PolyA-Schwanz). Diese Sequenz kann als Primer genutzt werden, um eine circuläre DNA mit einer an den Primer bindenden Sequenz in einer Reaktion zu kopieren, die dem Fachmann als „Rolling circle Amplification" bekannt ist. Die dabei entstehende DNA kann auf unterschiedliche Weise für eine Detektion markiert werden.Figure 13 shows the preferred embodiment "microRNA capture-signal amplification" in which microRNA is bound by probe molecules, which can then be labeled with a universal sequence, eg an adenine strand (polyA tail) .This sequence can be used as a primer in order to copy a circular DNA with a primer-binding sequence in a reaction known to those skilled in the art as "rolling circle amplification". The resulting DNA can be labeled in different ways for detection.
Figur 14 zeigt Daten von Experimenten bezüglich einer Ausführungsform der Erfindung zur Analyse von mikroRNAs (miRNA). In Figur 14A im Bild sind Scatter-Plots gezeigt, die die
Reproduzierbarkeit der Signalintensitäten der einzelnen Spots auf verwendeten Mikroarrays zweier Hybridisierungen von miRNAs aus einer humanen Herzprobe zeigen (oben), bzw. die Unterschiede in den Signalintensitäten zwischen zwei Hybridisierungen, wenn Proben aus unterschiedlichen Geweben verglichen werden (Herz und Gehirn, unten). In Figur 14B sind zwei Säulendiagramme gezeigt, die die Signalintensitäten verschiedener Mikroarray Sonden nach Hybridisierung mit einer miRNA Probe aus dem humanen Hirn zeigen, die für die Detektion einer bestimmten miRNA entworfen wurden. Die Sonden sind entweder vollständig komplementär zur miRNA (PM) oder tragen einen, zwei oder drei Mismatches (MM, Single, double, triple). Zusätzlich sind Intensitäten von analogen Sonden gezeigt, die zwei aufeinanderfolgende Komplementärsequenzen der miRNA aufweisen, die entweder direkt aufeinanderfolgen oder durch einen Spacer getrennt sind Tandem oder Tandem mit Spacer). Das untere linke Säulendiagramm zeigt analoge Daten für eine weitere miRNA. Diese ist in Hirn- und Herzgewebe unterschiedlich exprimiert, Signalintensitäten für die Hybridisierungen der Proben aus den jeweiligen Geweben sind vergleichend gezeigt. Figur 15 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Mikroarrays von Hybridisierungen von miRNAs aus verschiedenen Geweben (Herz und Hirn) die unter verschiedenen Bedingungen hybridisiert wurden, wie in der Tabelle unten angegeben.Figure 14 shows data from experiments relating to an embodiment of the invention for the analysis of microRNAs (miRNA). FIG. 14A shows scatter plots in FIG Reproducibility of the signal intensities of the individual spots on used microarrays of two hybridizations of miRNAs from a human heart sample show (above), or the differences in the signal intensities between two hybridizations when comparing samples from different tissues (heart and brain, bottom). Figure 14B shows two bar graphs showing the signal intensities of different microarray probes after hybridization with a human brain miRNA sample designed for the detection of a particular miRNA. The probes are either completely complementary to miRNA (PM) or carry one, two or three mismatches (MM, single, double, triple). In addition, intensities of analog probes are shown that have two consecutive miRNA complementary sequences, either directly adjacent to each other or separated by a spacer, tandem or tandem with spacer). The lower left column diagram shows analogous data for another miRNA. This is expressed differently in brain and heart tissue, signal intensities for the hybridizations of the samples from the respective tissues are shown comparatively. Figure 15 shows a fluorescence image of a microarray of hybridizations of miRNAs from various tissues (heart and brain) which were hybridized under different conditions, as indicated in the table below.
Figur 16 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Mikroarrays nach Hybridisierung mit miRNAs und Markierung mit Biotin/Streptavidin-Phycoerythrin (vor Signalverstärkung; Aufnahmedauer: 2780 ms).16 shows a fluorescence image of a microarray after hybridization with miRNAs and labeling with biotin / streptavidin-phycoerythrin (before signal amplification, recording time: 2780 ms).
Figur 17 zeigt ein Fluoreszenzbild eines Mikroarrays nach Hybridisierung mit miRNAs und Markierung mit Biotin/Streptavidin-Phycoerythrin (SAPE) und darauf folgender Signalverstärkung mittels eines Antikörpers, der seinerseits biotinmarkiert ist und erneuter Markierung mit Streptavidin-Phycoerythrin (Aufnahmedauer: 1500 ms) Figur 18 zeigt Daten zur Abhängigkeit der Signalintensität der Fluoreszenzsignale vonFIG. 17 shows a fluorescence image of a microarray after hybridization with miRNAs and labeling with biotin / streptavidin-phycoerythrin (SAPE) and subsequent signal amplification by means of an antibody, which in turn is biotin-labeled and re-labeled with streptavidin-phycoerythrin (recording time: 1500 ms) FIG Data on the dependence of the signal intensity of the fluorescence signals of
Arraybildern nach Hybridisierung mit RNA-Proben aus humanem Hirn, die entweder ohne vorherige Aufreinigung oder nach selektiver Anreicherung der miRNAs erfolgte. (Ausgangsmaterial: 5 μg Hirn-RNA; markiert mit mirVANA Labeling Kit (Ambion); die Daten wurden gegenüber den Hintergrundsignale korrigiert und sind ohne „gespikete" Kontrollen aber mit Original- und Tandemsondensequenzen; Normalisierung wurde nicht durchgeführt.)Array images after hybridization with human brain RNA samples, either without prior purification or after selective enrichment of the miRNAs. (Starting material: 5 μg brain RNA labeled with MirVANA Labeling Kit (Ambion); the data were corrected against the background signals and are without "spiked" controls but with original and tandem probe sequences and normalization was not performed.)
Figur 19 zeigt Daten und ein Schema zum Themenkomplex „Analyse von Einzelnukleotidsubstitutionen für das SNP-Genotyping, Resequencing oder die Methylierungsanalyse". Rechts oben ist ein Schema gezeigt, das das Assayprinzip verdeutlicht. In Abhängigkeit des Nukleotids des Probenmoleküls an einer bestimmten Position findet eine
mehr oder weniger effiziente Primer Extension durch eine DNA Polymerase an unterschiedlichen an der Oberfläche befindlichen Primermolekülen statt. Links ist ein Fluoreszenzbild eines Mikroarrays nach einer Primer Extension wie beschrieben gezeigt. Während der Extension wurde Biotin eingebaut, welches anschließend mit Streptavidin- Phycoerythrin markiert wurde. In der Vergrößerung sind die Signalunterschiede für verschiedene Nukleotidpaare im Primer deutlich zu erkennen. Unten rechts ist ein Säulendiagramm gezeigt, das quantitativ die Fluoreszenzsignale eines entsprechenden Arrays zeigt. (PM = perfect match des Nukleotidpaares im Primer, MM = mismatch).Figure 19 shows data and a scheme for the topic complex "Analysis of single nucleotide substitutions for SNP genotyping, resequencing or methylation analysis." In the upper right, a scheme is shown which illustrates the principle of the assay more or less efficient primer extension by a DNA polymerase on different primer molecules located on the surface instead. On the left is a fluorescence image of a microarray after a primer extension as described. During the extension biotin was incorporated, which was subsequently labeled with streptavidin-phycoerythrin. In magnification, the signal differences for different nucleotide pairs in the primer can be clearly seen. At the bottom right is a bar graph showing quantitatively the fluorescence signals of a corresponding array. (PM = perfect match of the nucleotide pair in the primer, MM = mismatch).
Figur 20 zeigt Daten zum Themenkomplex „PCR-on-Chip". Es wurden PCR-Reaktionen im Reaktionsträgers entsprechend den beiden Schemata mit einem PCR-Produkt des GFP-Gens als Templat durchgeführt, wobei jeweils einer der Primer auf der Oberfläche immobilisiert ist. Während der Reaktion wurde Biotin eingebaut und über SAPE markiert. Fluoreszenzbilder der Arrays sind jeweils rechts des jeweiligen Schemas gezeigt. Die Datenpunkte, die mit PCR bezeichnet sind, gehen aus einer PCR-Reaktion hervor, die mit PEX betitelten Bilder wurden den gleichen Inkubationen bei den gleichen Temperaturen ausgesetzt, allerdings nicht in zyklischer Weise.20 shows data on the topic complex "PCR-on-Chip." PCR reactions were carried out in the reaction support according to the two schemes with a PCR product of the GFP gene as template, wherein one of the primers in each case is immobilized on the surface Biotin was incorporated into the reaction and labeled with SAPE, fluorescence images of the arrays are shown to the right of the respective scheme, the data points labeled PCR are from a PCR reaction, the images titled PEX were the same incubations at the same Temperatures exposed, but not in a cyclical manner.
Figur 21 zeigt Daten zum Themenkomplex PCR-on-Chip. Es wurden PCR-Reaktionen im Reaktionsträger entsprechend dem Schema links mit einem PCR-Produkt des GFP-Gens als Templat durchgeführt, wobei innerhalb eines Reaktionsträgers beide Primer (GFPforwOl und GFPrevOl) getrennt auf der Oberfläche immobilisiert sind. Es wurden dabei verschiedene Primerlängen zwischen 10 und 30 Nukleotiden verwendet. Während der Reaktion wurde Biotin eingebaut und über SAPE markiert. Fluoreszenzbilder der Arrays sind jeweils rechts des Schemas gezeigt. Es wurde in zwei identischen Reaktionsträgern identische PCR-Reaktionen verwendet, wobei in einem als löslicher Primer ausschließlich GFPforwOl und im anderen ausschließlich GFPrevOl zugegeben wurde. Nur an den Positionen, an denen ein PCR-fähiges, gegenläufiges Primerpaar zustande kommt, wird eine effiziente Signalerzeugung durch die Amplifikation beobachtet.FIG. 21 shows data on the subject complex PCR-on-chip. PCR reactions were carried out in the reaction support according to the scheme on the left with a PCR product of the GFP gene as a template, wherein within a reaction support both primers (GFPforwOl and GFPrevOl) are immobilized separately on the surface. Different primer lengths between 10 and 30 nucleotides were used. During the reaction, biotin was incorporated and labeled via SAPE. Fluorescence images of the arrays are shown to the right of the scheme, respectively. Identical PCR reactions were used in two identical reaction carriers, with GFPforwOl as the soluble primer and GFPrevOl alone in the other. Only at the positions where a PCR-capable, opposite primer pair is achieved, efficient signal generation by amplification is observed.
Figur 22 zeigt Daten zum Themenkomplex „PCR-on-Chip". Es wurden PCR-Reaktionen im Reaktionsträgers mit einem PCR-Produkt des GFP-Gens als Templat durchgeführt, wobei innerhalb eines Reaktionsträgers verschiedenste Primer auf der Oberfläche immobilisiert vorlagen und jeweils ein Primer (GFPforwOl und GFPrevOl) zugegeben wurde. Wie unten im Bild gezeigt, wurden dabei je 30 verschiedene immobilisierte Primer in sense- und antisense- Richtung verwendet. Es entstehen dadurch in jedem Array 30 unterschiedliche PCR-Produkte verschiedener Länge. Je nachdem, welcher Primer in löslicher Form zugegeben wird, wird nur
für die sense- oder antisense-Primer Produktbildung beobachtet.22 shows data on the topic complex "PCR-on-Chip." PCR reactions were carried out in the reaction support with a PCR product of the GFP gene as a template, wherein within a reaction support various primers were immobilized on the surface and in each case a primer ( As shown in the picture below, each 30 different immobilized primers were used in the sense and antisense direction, resulting in 30 different PCR products of different lengths in each array, whichever is more soluble Form is added only becomes observed for the sense or antisense primer product formation.
Figur 23 zeigt Daten bzgl. „on-chip primer Extension" für das Abkopieren von im Reaktionsträger synthetisierten, immobilisierten Oligonukleotiden. Entsprechend dem Schema im Bild unten werden Primer an die Oligonukleotide hybridisiert und durch eine Polymerase verlängert. Die entstandenen, nichtkovalent gebundenen Einzelstränge können dann durch Waschen aus dem Reaktionsträger entfernt werden und als Templat in einer PCR dienen, die zu ihrer Vermehrung eingesetzt werden kann.Figure 23 shows "on-chip primer extension" data for the copying of immobilized oligonucleotides synthesized in the reaction support According to the scheme in the picture below, primers are hybridized to the oligonucleotides and extended by a polymerase be removed by washing from the reaction support and serve as a template in a PCR, which can be used for their propagation.
Figur 24 zeigt ein Schema, das eine sogenannte „Strand Displacement Amplification" im Reaktionsträger zeigt. Es wird eine Hairpin-Sonde mit einem freien 3 '-Nukleotid im Reaktionsträger synthetisiert, die im Doppelstrangbereich eine Erkennungssequenz für eine weiter entfernt schneidende Nicking Endonuklease enthält. Nach Primerverlängerung durch eine Polymerase wird der neu entstandene Strang durch die Nicking Endonuklease geschnitten und steht für eine erneute Primer Extension zur Verfügung. Es können beide Enzyme, Polymerase und Nuklease gleichzeitig in der Lösung vorliegen und eine isotherme, lineare Amplifikation bewirken.A scheme showing a so-called "Strand Displacement Amplification" in the reaction carrier is shown in Figure 24. A hairpin probe is synthesized with a free 3 'nucleotide in the reaction support containing a double-stranded recognition sequence for a more distant nicking endonuclease Primer extension by a polymerase, the newly formed strand is cut by the nicking endonuclease and is available for re-primer extension, both enzymes, polymerase and nuclease can be present in the solution simultaneously and cause an isothermal, linear amplification.
Figur 25 zeigt ein Schema, das eine sogenannte „Strand Displacement Amplification" im Reaktionsträger zeigt. Es wird eine im Reaktionsträger synthetisierte Sonde mit einem Primer hybridisiert, so dass im Doppelstrangbereich eine Erkennungssequenz für eine weiter entfernt schneidende Nicking Endonuklease entsteht. Der Primer kann dabei optional mit der im Reaktionsträger synthetisierten Sonde chemisch verknüpft werden. Nach Primerverlängerung durch eine Polymerase wird der neu entstandene Strang durch die Nicking Endonuklease geschnitten und steht für eine erneute Primer Extension zur Verfügung. Es können beide Enzyme, Polymerase und Nuklease gleichzeitig in der Lösung vorliegen und eine isotherme, lineare Amplifikation bewirken. Figur 26 zeigt ein Schema, in dem eine Amplifikation auf der Oberfläche des25 shows a scheme which shows a so-called "Strand Displacement Amplification" in the reaction carrier: A probe synthesized in the reaction carrier is hybridized with a primer so that a recognition sequence for a more remote cutting nicking endonuclease arises in the double strand region After primer extension by a polymerase, the newly formed strand is cut by the nicking endonuclease and is available for re-primer extension, both enzymes, polymerase and nuclease being simultaneously present in the solution, and a second isothermal, linear amplification Figure 26 shows a scheme in which an amplification on the surface of the
Reaktionsträgers stattfindet. Zwei benachbarte Sondenmoleküle mit unterschiedlicher Sequenz (Primer A und Primer B) können von einer Polymerase nicht templatabhängig verlängert werden, da diese zu weit voneinander entfernt sind, um aneinander zu binden (keine Bildung von dem Fachmann bekannten Primer Homo- oder Hetero-Dimeren). Werden lösliche, nicht mit der Oberfläche des Reaktionsträgers verknüpfte Moleküle hinzugegeben, können die Primer selektiv an gewünschte Moleküle aus einem komplexen Molekülgemisch (z.B. DNA-Fragmente aus genomischer DNA) binden und werden von der Polymerase verlängert. Sie erreichen dann eine Länge, die eine Bindung eines benachbarten Primers erlaubt, so dass dieser auch von der Polymerase verlängert werden kann. Nach einem anfänglichen Verlängerungsschritt wird der
Reaktionsträger stringent gewaschen, so dass alle nicht kovalent an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebundenen Moleküle und Ionen aus dem Reaktionsträger entfernt werden. Nach erneuter Zugabe von Reagenzien, die für eine dem Fachmann bekannte PCR-Reaktion notwendig sind, wird der Reaktionsträger einem Temperatur-Zeit-Profil unterworfen, das eine PCR-Reaktion ermöglicht.Reaction carrier takes place. Two adjacent probe molecules of different sequence (primer A and primer B) can not be template-extended by a polymerase because they are too far apart to bind to each other (no formation of primer homo- or hetero-dimers known to those skilled in the art). If soluble molecules not linked to the surface of the reaction support are added, the primers can selectively bind to desired molecules from a complex mixture of molecules (eg DNA fragments from genomic DNA) and are extended by the polymerase. They then reach a length that allows binding of an adjacent primer, so that it can be extended by the polymerase. After an initial extension step, the Reaction carrier stringently washed so that all non-covalently bound to the surface of the reaction carrier molecules and ions are removed from the reaction medium. After re-addition of reagents necessary for a PCR reaction known to those skilled in the art, the reaction support is subjected to a temperature-time profile which enables a PCR reaction.
Figur 27 zeigt ein Schema in dem eine Amplifϊkation auf der Oberfläche des Reaktionsträgers stattfindet. Zwei benachbarte Sondenmoleküle mit unterschiedlicher Sequenz (Primer A und Primer B) können von einer Polymerase nicht templatabhängig verlängert werden, da diese zu weit voneinander entfernt sind, um aneinander zu binden (keine Bildung von dem Fachmann bekannten Primer Homo- oder Hetero-Dimeren). Werden lösliche, nicht mit der Oberfläche des Reaktionsträgers verknüpfte Moleküle hinzugegeben, können die Primer binden. Es wird nun eine Hybridisierung und ein Waschprofil durchgeführt, das die selektive Bindung gewünschter Moleküle aus komplexen Probengemischen erlaubt (z.B. Fragmente aus genomischer DNA). Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen aus dem Reaktionsträger entfernt. Die Primer, die Moleküle gebunden haben, werden nach Zugabe von für eine PCR notwendigen Reagenzien von der Polymerase verlängert. Sie erreichen dann eine Länge, die eine Bindung eines benachbarten Primers erlaubt, so dass dieser auch von der Polymerase verlängert werden kann. Nach einem anfanglichen Verlängerungsschritt wird der Reaktionsträger optional stringent gewaschen, so dass alle nicht kovalent an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebundenen Moleküle und Ionen aus dem Reaktionsträger entfernt werden. Nach erneuter Zugabe von Reagenzien, die für eine dem Fachmann bekannte PCR-Reaktion notwendig sind, wird der Reaktionsträger einem Temperatur-Zeit-Profil unterworfen, das eine PCR-Reaktion ermöglicht.Figure 27 shows a scheme in which a Amplifϊkation takes place on the surface of the reaction carrier. Two adjacent probe molecules of different sequence (primer A and primer B) can not be template-extended by a polymerase because they are too far apart to bind to each other (no formation of primer homo- or hetero-dimers known to those skilled in the art). If soluble molecules not linked to the surface of the reaction support are added, the primers can bind. A hybridization and wash profile is now performed that allows the selective binding of desired molecules from complex sample mixtures (e.g., fragments of genomic DNA). Undesired molecules are removed from the reaction carrier by washing. The primers that have bound molecules are extended by the polymerase after addition of reagents necessary for a PCR. They then reach a length that allows binding of an adjacent primer, so that it can be extended by the polymerase. After an initial extension step, the reaction support is optionally stringency washed, so that all non-covalently bound to the surface of the reaction support molecules and ions are removed from the reaction medium. After re-addition of reagents necessary for a PCR reaction known to those skilled in the art, the reaction support is subjected to a temperature-time profile which enables a PCR reaction.
Figur 28 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Es wird nun optional eine einzelstrangspezifische (ssDNA) Nuklease zugegeben, die alle nicht gebundenen, einzelsträngigen Sondenmoleküle prozessiert. Die an microRNAs gebundenen Sondenmoleküle werden nicht prozessiert. Die gebundenen microRNAs fungieren nun als Primer und werden von einer Polymerase verlängert, wobei Bausteine mit signalgebenden Gruppen oder Haptenen eingebaut werden. Nach Waschen können diese direkt oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden detektiert werden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.
Figur 29 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs sind vorher mit einer oder mehren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert worden. Nach Waschen können diese direkt oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden detektiert werden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 28 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. Unwanted molecules are removed by washing. Optionally, a single-stranded (ssDNA) nuclease is added which processes all unbound, single-stranded probe molecules. The probe molecules bound to microRNAs are not processed. The bound microRNAs now function as primers and are extended by a polymerase, incorporating building blocks with signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups. FIG. 29 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs have been previously labeled with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 30 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs sind vorher mit einer oder mehren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert worden. Nach Waschen können diese direkt oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden detektiert werden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 30 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs have been previously labeled with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 31 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Die Sondenmoleküle enthalten dabei mehrere Stellen für die Bindung einer microRNA, vorzugsweise zwei, drei, vier oder fünf. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs sind vorher mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert worden. Nach Waschen können diese direkt oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden detektiert werden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 31 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. The probe molecules contain several sites for the binding of a microRNA, preferably two, three, four or five. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs have been previously labeled with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 32 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Die Sondenmoleküle enthalten dabei mehrere Stellen für die Bindung einer microRNA, vorzugsweise zwei, drei, vier oder fünf. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs sind vorher mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder haptenen markiert worden. Nach Waschen können diese direkt oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden detektiert werden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.
Figur 33 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an imFIG. 32 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. The probe molecules contain several sites for the binding of a microRNA, preferably two, three, four or five. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs have been previously labeled with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups. FIG. 33 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind in the
Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannteReaction carrier synthesized probe molecules and can be known by those skilled in the art
Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus imHybridization and washing steps selectively from a complex sample mixture out in
Reaktionsträger zurückgehalten werden. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs werden dann durch ein oder mehrere Enzyme, vorzugsweiseReaction carrier be retained. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs are then purified by one or more enzymes, preferably
Polymerasen und/oder Ligasen mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert. Nach Waschen können diese direkt detektiert werden oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.Polymerases and / or ligases labeled with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 34 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs werden dann durch ein oder mehrere Enzyme, vorzugsweise Polymerasen und/oder Ligasen mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert. Nach Waschen können diese direkt detektiert werden oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 34 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs are then labeled by one or more enzymes, preferably polymerases and / or ligases, with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 35 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Die Sondenmoleküle enthalten dabei mehrere Stellen für die Bindung einer microRNA, vorzugsweise zwei, drei, vier oder fünf. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs werden dann durch ein oder mehrere Enzyme, vorzugsweise Polymerasen und/oder Ligasen mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert. Nach Waschen können diese direkt detektiert werden oder nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 35 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. The probe molecules contain several sites for the binding of a microRNA, preferably two, three, four or five. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs are then labeled by one or more enzymes, preferably polymerases and / or ligases, with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 36 zeigt ein Prinzip zur Detektion von microRNAs. Diese binden selektiv an im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmoleküle und können durch dem Fachmann bekannte Hybridisierungs- und Waschschritte selektiv aus einem komplexen Probengemisch heraus im Reaktionsträger zurückgehalten werden. Die Sondenmoleküle enthalten dabei mehrere Stellen für die Bindung einer microRNA, vorzugsweise zwei, drei, vier oder fünf. Ungewünschte Moleküle werden durch Waschen entfernt. Die microRNAs werden dann durch ein oder mehrere Enzyme, vorzugsweise Polymerasen und/oder Ligasen mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen oder Haptenen markiert. Nach Waschen können diese direkt detektiert werden oder
nach Bindung eines haptenspezifischen Liganden, der seinerseits eine oder mehrere signalgebende Gruppen enthält.FIG. 36 shows a principle for the detection of microRNAs. These selectively bind to probe molecules synthesized in the reaction support and can be selectively retained in the reaction support by hybridization and washing steps known to those skilled in the art from a complex sample mixture. The probe molecules contain several sites for the binding of a microRNA, preferably two, three, four or five. Unwanted molecules are removed by washing. The microRNAs are then labeled by one or more enzymes, preferably polymerases and / or ligases, with one or more signaling groups or haptens. After washing, these can be detected directly or after binding of a hapten-specific ligand, which in turn contains one or more signaling groups.
Figur 37 zeigt ein Arbeitsflussschema für die Detektion und Typisierung von Viren und anderen Pathogenen. Nach quantitativer real-time-PCR wird im Falle eines positiven Test das entstandene PCR-Produkt direkt, ohne erneute PCR für eine Hybridisierung im Reaktionsträger verwendet. Diese dient der Typisierung des detektierten Virus oder der Entdeckung neuerFigure 37 shows a workflow scheme for the detection and typing of viruses and other pathogens. After quantitative real-time PCR in the case of a positive test, the resulting PCR product is used directly, without re-PCR for hybridization in the reaction medium. This serves to characterize the detected virus or to discover new ones
Mutanten, Stämme oder Typen eines Virus.Mutants, strains or types of a virus.
Figur 38 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein im Reaktionsträger der erfindungsgemäßen Prozessanlage synthetisiertes Sondenmolekül eine Hairpinstruktur ausbildet. Es gibt vorzugsweise zwei mögliche Erkennungssequenzen im Stamm der Hairpinstruktur: eine Oberflächen-nahe (d.h. proximale) und eine Oberflächen-ferne (d.h. distale).FIG. 38 shows an embodiment in which a probe molecule synthesized in the reaction carrier of the process plant according to the invention forms a hairpin structure. There are preferably two possible recognition sequences in the stem of the hairpin structure: a near-surface (i.e., proximal) and a surface-distant (i.e., distal).
Figur 39 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Sondenmolekül, das eine Hairpinstruktur ausbildet und zwei Sequenzen A und A* aufweist, die durch einen Linker verbunden sind, verwendet wird, um eine Sequenz A (Abbildung A) oder A* (Abbildung B) zu binden. Dadurch wird eine Änderung der Sekundärstruktur des Sondenmoleküls verursacht, die nachgewiesen werden kann.Figure 39 shows an embodiment in which a probe molecule forming a hairpin structure and having two sequences A and A * linked by a linker is used to sequence A (Figure A) or A * (Figure B) tie. This causes a change in the secondary structure of the probe molecule that can be detected.
Figur 40 zeigt eine Ausführungsform wie in Figur 39 mit dem Unterschied, dass an Sequenz A (Abbildung A) und A* (Abbildung B) jeweils eine Sequenz X und Z angefügt ist, wobei diese nicht miteinander paaren und besondere im folgenden näher erläuterte Eigenschaften aufweisen.FIG. 40 shows an embodiment as in FIG. 39, with the difference that a sequence X and Z are added to sequence A (FIG. A) and A * (FIG. B), wherein they do not mate with one another and have particular properties which are explained in more detail below ,
Figur 41 zeigt eine Ausfuhrungsform wie in Figur 38 mit dem Unterschied, dass an Sequenz A und A* jeweils ein Fluorophor (Abbildung A) oder ein Quenchermolekül (Abbildung B) angefügt ist, die eine Detektion der Änderung der Sekundärstruktur im Sondenmolekül vereinfachen. Figur 42 zeigt eine Ausführungsform wie in Figur 39, die verwendet wird, um beideFIG. 41 shows an embodiment as in FIG. 38, with the difference that a fluorophore (FIG. A) or a quencher molecule (FIG. B) is added to sequence A and A *, which simplify detection of the change in the secondary structure in the probe molecule. Figure 42 shows an embodiment as in Figure 39 which is used to both
Stränge eines doppelsträngigen Probenmoleküls (Target) zu binden.To bind strands of a double-stranded sample molecule (target).
Figur 43 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein im Reaktionsträger der erfindungsgemäßen Prozessanlage synthetisiertes Sondenmolekül eine Hairpinstruktur ausbildet. Es sind zwei mögliche Erkennungssequenzen vorhanden, und das Sondenmolekül ist nicht terminal, sondern intern mit der Oberfläche des Reaktionsträgers verknüpft. Bei Typ A ist die oder sind die Erkennungssequenzen im Loop und bei Typ B ist die oder sind die Erkennungssequenzen im Stern. Die Erkennungssequenz ist jeweils dunkel schraffiert dargestellt.FIG. 43 shows an embodiment in which a probe molecule synthesized in the reaction carrier of the process plant according to the invention forms a hairpin structure. There are two possible recognition sequences, and the probe molecule is not terminal, but internally linked to the surface of the reaction support. In type A, the recognition sequence or sequences are in the loop and in type B is or are the recognition sequences in the star. The recognition sequence is shown in dark hatching.
Figur 44 zeigt einen so genannten RAKE-Assay zur Detektion von miRNA (miRNA- RAKE-Assay). Beim RAKE-Assay („RNA-primed, array-based Klenow enzyme assay") wird
mit Hilfe des Klenow-Fragments der DNA-Polymerase I eine Array-gestützte Elongations- reaktion ausgehend von einem RNA-Primer durchgeführt. In der in Figur 44 gezeigten Ausfuhrungsform bindet die nachzuweisende miRNA an eine auf der Oberfläche des Arrays oder Microarrays immobilisierte DNA-Sonde. Ausgehend von dem DNA-RNA-Heteroduplex wird die miRNA mittels Klenow-Enzym und Nukleotiden (NTP) verlängert, d.h. die miRNA fungiert als Primer. Ein Teil der Nukleotide kann durch markierte Nukleotide, z.B. mit Biotin (bio) markierte Nukleotide (bio-NTP), ersetzt sein, wodurch sich die miRNA nachweisen lässt. Bei der in Figur 44 gezeigten Ausführungsform ist die DNA-Sonde mit ihrem 5 '-Ende an der Trägeroberfläche immobilisiert und das 3 '-Ende der DNA-Sonde ist frei. Nach Bindung der miRNA erfolgt die Elongationsreaktion somit in Richtung auf die Trägeroberfläche. Vorteile des gezeigten Verfahrens liegen darin, dass die im Analytmolekül (miRNA) enthaltene Information nicht auf den Chip kopiert wird, so dass der Chip wieder verwendbar ist. Weiterhin wird die Stabilität des Duplex aus Sonde und miRNA durch die Elongation erhöht.FIG. 44 shows a so-called RAKE assay for the detection of miRNA (miRNA RAKE assay). In the RAKE assay ("RNA-primed, array-based Klenow enzyme assay") carried out using the Klenow fragment of DNA polymerase I an array-based elongation reaction starting from an RNA primer. In the embodiment shown in FIG. 44, the miRNA to be detected binds to a DNA probe immobilized on the surface of the array or microarray. Starting from the DNA-RNA heteroduplex, the miRNA is extended by Klenow enzyme and nucleotides (NTP), ie the miRNA acts as a primer. A part of the nucleotides can be replaced by labeled nucleotides, eg with biotin (bio) labeled nucleotides (bio-NTP), whereby the miRNA can be detected. In the embodiment shown in Figure 44, the DNA probe is immobilized with its 5 'end to the support surface and the 3' end of the DNA probe is free. After binding of the miRNA, the elongation reaction thus takes place in the direction of the carrier surface. Advantages of the method shown are that the information contained in the analyte molecule (miRNA) is not copied to the chip, so that the chip is reusable. Furthermore, the stability of the duplex from probe and miRNA is increased by the elongation.
Figur 45 zeigt weitere Einzelheiten zu der in Figur 44 gezeigten Ausführungsform des miRNA-RAKE-Assays. Die DNA-Sonde besteht aus zwei Bereichen: der erste Bereich umfasst eine Hybridisierungssequenz (hellgrau), welche revers komplementär zur nachzuweisenden miRNA-Sequenz ist; der zweite Bereich umfasst eine Markierungssequenz (mittelgrau). Die Hybridisierungssequenz befindet sich am 3 '-Ende der DNA-Sonde. Die Markierungssequenz befindet sich am 5 '-Ende der DNA-Sonde. Diese Markierungssequenz bestimmt den Einbau der markierten Nukleotide, z.B. den Einbau von mit Biotin markiertem Uridin. In bevorzugten Ausführungsformen haben die verschiedenen auf der Trägeroberfläche immobilisierten DNA- Sonden identische Markierungssequenzen, aber unterschiedliche Hybridisierungssequenzen.FIG. 45 shows further details of the embodiment of the miRNA-RAKE assay shown in FIG. The DNA probe consists of two regions: the first region comprises a hybridization sequence (light gray) which is reverse complementary to the miRNA sequence to be detected; the second area comprises a marker sequence (mid-gray). The hybridization sequence is located at the 3 'end of the DNA probe. The tag sequence is located at the 5 'end of the DNA probe. This labeling sequence determines the incorporation of the labeled nucleotides, e.g. the incorporation of biotin-labeled uridine. In preferred embodiments, the various DNA probes immobilized on the support surface have identical tag sequences but different hybridization sequences.
Figur 46 zeigt einen so genannten „inversen" RAKE-Assay zur Detektion von miRNA. Im Gegensatz zum in Figur 44 gezeigten Assay ist die DNA-Sonde mit ihrem 3 '-Ende an der Trägeroberfläche immobilisiert und das 5 '-Ende der DNA-Sonde ist frei. Die Hybridisierungssequenz befindet sich am 3 '-Ende der DNA-Sonde. Die Markierungssequenz befindet sich am 5 '-Ende der DNA-Sonde. Nach Bindung der miRNA erfolgt die Elongationsreaktion somit in Richtung von der Trägeroberfläche weg. Wie beim in Figur 44 und 45 gezeigten Verfahren liegen auch hier Vorteile darin, dass die im Analytmolekül (miRNA) enthaltene Information nicht auf den Chip kopiert wird, so dass der Chip wieder verwendbar ist. Weiterhin wird die Stabilität des Duplex aus Sonde und miRNA durch die Elongation erhöht.Figure 46 shows a so-called "inverse" RAKE assay for detection of miRNA In contrast to the assay shown in Figure 44, the DNA probe is immobilized with its 3 'end to the support surface and the 5' end of the DNA probe The hybridization sequence is located at the 3 'end of the DNA probe and is located at the 5' end of the DNA probe, so after binding of the miRNA, the elongation reaction will be in the direction away from the support surface 44 and 45 are also advantageous in that the information contained in the analyte molecule (miRNA) is not copied to the chip, so that the chip is reusable.Furthermore, the stability of the duplex of probe and miRNA is increased by the elongation.
Figur 47 zeigt einen inversen Tandem-miRNA-RAKE-Assay. Bei dieser Ausführungsform umfasst die DNA-Sonde mindestens drei Bereiche: zwei Hybridisierungsbereiche, die unmittelbar aufeinanderfolgend, d.h. in Tandem- Anordnung, am 3 '-Ende der DNA-Sonde
lokalisiert sind, sowie einen am 5 '-Ende der DNA-Sonde lokalisierten dritten Bereich, der eine Markierungssequenz umfasst. Diese DNA-Sonde ist mit ihrem 3 '-Ende an der Trägeroberfläche immobilisiert, während das 5 '-Ende frei ist. In bevorzugten Ausfuhrungsformen weisen die beiden Hybridisierungsbereiche jeweils identische Hybridisierungssequenzen auf. Die Hybridisierungssequenzen sind zur nachzuweisenden miRNA revers-komplementär. Bei Durchführung des Assays binden zwei Moleküle miRNA in unmittelbarer Nachbarschaft, d.h. in Tandem, an die DNA-Sonde. Durch die Bindung von zwei Molekülen miRNA weist die gebildete DNA-RNA-Heteroduplex eine erhöhte Stabilität im Vergleich zu Ausführungsformen auf, bei denen nur ein miRNA-Molekül an die DNA-Sonde binden kann. Wie bei den in Figuren 44 bis 46 gezeigten Ausführungsformen wird ausgehend vom 3 '-Ende eines an die DNA-Sonde hybridisierten miRNA-Moleküls eine Elongationsreaktion mittels Klenow-Enzym und Nukleotiden durchgeführt. Ein Teil der Nukleotide kann durch markierte Nukleotide, z.B. mit Biotin markierte Nukleotide, ersetzt sein, wodurch sich die miRNA nachweisen lässt. Wie bei den in Figuren 44 bis 46 gezeigten Verfahren wird die im Analytmolekül (miRNA) enthaltene Information nicht auf den Chip kopiert, so dass der Chip wieder verwendbar ist. Weiterhin wird die Stabilität des Duplex aus Sonde und miRNA-Molekülen durch die Elongation zusätzlich erhöht.Figure 47 shows an inverse tandem miRNA RAKE assay. In this embodiment, the DNA probe comprises at least three regions: two hybridization regions which are immediately adjacent, ie in tandem, at the 3 'end of the DNA probe and a third region located at the 5 'end of the DNA probe comprising a tag sequence. This DNA probe is immobilized with its 3 'end on the support surface, while the 5' end is free. In preferred embodiments, the two hybridization regions each have identical hybridization sequences. The hybridization sequences are reverse-complementary to the miRNA to be detected. When performing the assay, two molecules of miRNA bind in close proximity, ie in tandem, to the DNA probe. By binding two molecules of miRNA, the DNA-RNA heteroduplex formed has increased stability compared to embodiments in which only one miRNA molecule can bind to the DNA probe. As in the embodiments shown in FIGS. 44 to 46, an elongation reaction using Klenow enzyme and nucleotides is carried out starting from the 3 'end of a miRNA molecule hybridized to the DNA probe. A part of the nucleotides can be replaced by labeled nucleotides, eg biotin-labeled nucleotides, whereby the miRNA can be detected. As with the methods shown in FIGS. 44 to 46, the information contained in the analyte molecule (miRNA) is not copied to the chip, so that the chip is reusable. Furthermore, the stability of the duplex from probe and miRNA molecules is additionally increased by the elongation.
Figur 48 zeigt eine Variante des RAKE-Assays, bei welchem eine Ligationsreaktion verwendet wird. Diese Assay wird in der vorliegenden Anmeldung als RALE-Assay bezeichnet („RNA-primed, array-based Ugase enzyme assay"). Beim RALE-Assay ist auf der Trägeroberfläche eine DNA-Sonde immobilisiert, welche zwei Hybridisierungsbereiche umfasst: der erste Hybridisierungsbereich am 3 '-Ende der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers-komplementär zur nachzuweisenden miRNA ist; der zweite Hybridisierungsbereich am 5'-Ende der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers-komplementär zu einer Ligationssonde ist. Bei Durchführung des RALE-Assays binden die nachzuweisende miRNA und die Ligationssonde an die DNA-Sonde. Die Ligationssonde weist an ihrem 5 '-Ende eine freie 5' -Phosphat gruppe auf. Außerdem weist sie eine Markierung auf, z.B. eine Fluoreszenzmarkierung, die sich vorzugsweise am 3'-Ende der Ligationssonde befindet. Nach Hybridisierung von miRNA und Ligationssonde an die immobilisierte DNA- Sonde wird durch eine hinzugefügte Ligase das 3'-Ende der miRNA mit dem 5'-Ende der Ligationssonde kovalent verbunden. Der Nachweis der miRNA erfolgt über die in der Ligationssonde vorhandene Markierung. In einer zweiten Ausführungsform (nicht gezeigt) sind die beiden Hybridisierungsbereiche auf der DNA-Sonde vertauscht, d.h. der erste Hybridisierungsbereich ist am 5 '-Ende der DNA-Sonde lokalisiert und der zweite
Hybridisierungsbereich ist am 3 '-Ende der DNA-Sonde lokalisiert. Bei dieser zweiten Ausführungsform wird nach Hybridisierung der miRNA und der Ligationssonde an die DNA- Sonde das 5 '-Ende der miRNA mit dem 3 '-Ende der Ligationssonde kovalent verbunden. Bei der zweiten Ausführungsform befindet sich die Markierung vorzugsweise am 5 '-Ende der Ligationssonde.Figure 48 shows a variant of the RAKE assay in which a ligation reaction is used. This assay is referred to in the present application as a RALE assay ("RNA-primed, array-based Ugase enzyme assay") .The RALE assay immobilizes on the support surface a DNA probe comprising two hybridization regions: the first hybridization region on the The 3 'end of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to the miRNA to be detected, and the second hybridization region at the 5' end of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to a ligation probe The ligation probe has a free 5 '-phosphate group at its 5'-end and also has a label, eg a fluorescence label, which is preferably attached to the 3' end of the ligation probe. After hybridization of miRNA and ligation probe to the immobilized DNA probe, an added ligase removes the 3'-end of the ligand miRNA is covalently linked to the 5 'end of the ligation probe. The detection of miRNA takes place via the label present in the ligation probe. In a second embodiment (not shown), the two hybridization regions on the DNA probe are reversed, ie the first hybridization region is located at the 5 'end of the DNA probe and the second Hybridization region is located at the 3 'end of the DNA probe. In this second embodiment, after hybridization of the miRNA and the ligation probe to the DNA probe, the 5 'end of the miRNA is covalently linked to the 3' end of the ligation probe. In the second embodiment, the label is preferably at the 5 'end of the ligation probe.
Figur 49 zeigt eine Variante des in Figur 47 gezeigten inversen Tandem-miRNA-RAKE- Assays. Hierbei erfolgt zwischen dem Hybridisierungsschritt der beiden miRNA-Moleküle an die DNA-Sonde und dem Elongationsschritt ein weiterer Verfahrensschritt, bei welchem die beiden miRNA-Moleküle mittels einer Ligase kovalent miteinander verbunden werden. Der zusätzliche Ligationsschritt führt zu einer weiteren Stabilisierung des Heteroduplex aus DNA- Sonde und miRNA-Molekülen. Wie bei dem Verfahren aus Figur 47 wird die im Analytmolekül (miRNA) enthaltene Information nicht auf den Chip kopiert, so dass der Chip wieder verwendbar ist.FIG. 49 shows a variant of the inverse tandem miRNA RAKE assay shown in FIG. 47. In this case, between the hybridization step of the two miRNA molecules to the DNA probe and the elongation step, a further process step in which the two miRNA molecules are covalently bound together by means of a ligase. The additional ligation step leads to a further stabilization of the heteroduplex of DNA probe and miRNA molecules. As with the method of Figure 47, the information contained in the analyte molecule (miRNA) is not copied to the chip, so that the chip is reusable.
Figur 50 zeigt ein enzymfreies Nachweisverfahren für miRNA-Moleküle. Bei diesem Assay ist auf der Trägeroberfläche eine DNA-Sonde immobilisiert, welche zwei Hybridisierungsbereiche umfasst: der erste Hybridisierungsbereich der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers-komplementär zur nachzuweisenden miRNA ist; der zweite Hybridisierungsbereich der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die reverskomplementär zu einem so genannten Helfer-Oligo ist. Dieses Helfer-Oligo ist ein kurzes RNA- Oligonukleotid von 10 bis 25 Nukleotiden Länge, welches eine Markierung, z.B. Biotin, aufweist. In einem ersten Verfahrensschritt hybridisieren miRNA und Helfer-Oligo an die immobilisierte DNA-Sonde. In einem zweiten Verfahrensschritt wird ein aktiviertes Nukleotid hinzugegeben, welches miRNA und Helfer-Oligo in einer chemischen Reaktion kovalent miteinander verknüpft. Diese chemische Reaktion ist als Chemische Ligation (engl. „ chemical ligation") bekannt und wurde beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/063717 beschrieben (der Inhalt dieser Anmeldung wird im Hinblick auf die Chemische Ligation vollumfänglich durch Bezug in diese Anmeldung aufgenommen). Schließlich wird in einem stringenten Waschschritt überschüssiges, nicht-ligiertes Helfer-Oligo entfernt. Der Nachweis der miRNA erfolgt über die Markierung im Helfer-Oligo. Figuren 50A und 5OB zeigen zwei verschiedene Ausführungsformen, die sich in der Orientierung der DNA-Sonde unterscheiden: Bei der Ausführungsform in Figur 50A ist die DNA-Sonde über ihr 3 '-Ende an der Trägeroberfläche immobilisiert und das 5 '-Ende ist frei; bei der Ausführungsform in Figur 50B ist die DNA-Sonde über ihr 5'-Ende an der Trägeroberfläche immobilisiert und das 3'-Ende ist frei.
Figur 51 zeigt eine Variante des in Figur 50 gezeigten Nachweisverfahrens für miRNA- Moleküle. Bei diesem Assay ist auf der Trägeroberfläche eine DNA-Sonde immobilisiert, welche drei Hybridisierungsbereiche in folgender Reihenfolge umfasst: der erste Hybridisierungsbereich der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers- komplementär zu einem ersten Helfer-Oligo ist; der zweite Hybridisierungsbereich der DNA- Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers-komplementär zur nachzuweisenden miRNA ist; der dritte Hybridisierungsbereich der DNA-Sonde umfasst eine Hybridisierungssequenz, die revers-komplementär zu einem dritten Helfer-Oligo ist. In einem ersten Verfahrensschritt hybridisieren das erste Helfer-Oligo, das zweite Helfer-Oligo und die miRNA an die DNA-Sonde. Das erste und das zweite Helfer-Oligo sind RNA-Oligonukleotide von 10 bis 25 bp Länge. In einem zweiten Verfahrensschritt werden aktivierte Nukleotide hinzugefügt, welche die miRNA an einem Ende mit dem ersten Helfer-Oligo und am anderen Ende mit dem zweiten Helfer-Oligo in einer chemischen Reaktion kovalent verknüpfen. Diese chemische Reaktion ist als Chemische Ligation bekannt und wurde beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/063717 beschrieben. In einem nachfolgenden Denaturierungsschritt wird die um die beiden Helfer-Oligos verlängerte miRNA von der DNA-Sonde getrennt und in einer Amplifikationsreaktion (z.B. PCR oder „Whole Genome Amplification" (WGA)) vervielfältigt. Hierbei kann ein Primerpaar verwendet werden, bei welchem der erste Primer die gleiche Sequenz aufweist wie das erste Helfer-Oligo und der zweite Primer die zum zweiten Helfer-Oligo revers komplementäre Sequenz aufweist. In einer alternativen Ausführungsform weist der erste Primer die gleiche Sequenz auf wie das zweite Helfer-Oligo und der zweite Primer weist die zum zweiten Helfer-Oligo revers komplementäre Sequenz auf. In der Amplifikationsreaktion können Markierungen in die Amplifϊkationsprodukte eingebaut werden, z.B. indem markierte Nukleotide wie bio-NTP verwendet werden. Die Amplifϊkationsprodukte werden in einem nachfolgenden Schritt zurück an den Microarray hybridisiert. Die Detektion der miRNAs kann dann über die in der Amplifikationsreaktion eingeführte Markierung erfolgen.FIG. 50 shows an enzyme-free detection method for miRNA molecules. In this assay, immobilized on the support surface is a DNA probe comprising two hybridization regions: the first hybridization region of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to the miRNA to be detected; the second hybridization region of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to a so-called helper oligo. This helper oligo is a short RNA oligonucleotide of 10 to 25 nucleotides in length, which has a label, eg biotin. In a first process step, miRNA and helper oligo hybridize to the immobilized DNA probe. In a second process step, an activated nucleotide is added which covalently links miRNA and helper oligo in a chemical reaction. This chemical reaction is known as chemical ligation and has been described, for example, in International Patent Application WO 2006/063717 (the contents of this application are incorporated herein by reference in its entirety by reference to chemical ligation) In a stringent washing step, excess non-ligated helper oligo is removed The miRNA is detected via the marker in the helper oligo Figures 50A and 5OB show two different embodiments which differ in the orientation of the DNA probe In the embodiment of Figure 50A, the DNA probe is immobilized to the support surface via its 3 'end and the 5' end is free: in the embodiment of Figure 50B, the DNA probe is immobilized to the support surface via its 5 'end and the 3'-end is free. FIG. 51 shows a variant of the detection method for miRNA molecules shown in FIG. In this assay, a DNA probe is immobilized on the support surface comprising three hybridization regions in the following order: the first hybridization region of the DNA probe comprises a hybridization sequence which is reverse complementary to a first helper oligo; the second hybridization region of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to the miRNA to be detected; the third hybridization region of the DNA probe comprises a hybridization sequence that is reverse-complementary to a third helper oligo. In a first method step, the first helper oligo, the second helper oligo and the miRNA hybridize to the DNA probe. The first and second helper oligo are RNA oligonucleotides of 10 to 25 bp in length. In a second step, activated nucleotides are added which covalently link the miRNA at one end to the first helper oligo and at the other end to the second helper oligo in a chemical reaction. This chemical reaction is known as chemical ligation and has been described, for example, in International Patent Application WO 2006/063717. In a subsequent denaturation step, the miRNA extended by the two helper oligos is separated from the DNA probe and amplified in an amplification reaction (eg PCR or "Whole Genome Amplification" (WGA)) Primer has the same sequence as the first helper oligo and the second primer has the sequence complementary to the second helper oligo In an alternative embodiment, the first primer has the same sequence as the second helper oligo and the second primer has the In the amplification reaction, labels can be incorporated into the amplification products, eg by using labeled nucleotides such as bio-NTP The amplification products are hybridized back to the microarray in a subsequent step The detection of the miRNAs can then over in the amplification reaction introduced mark done.
Figur 52 zeigt eine Variante des RAKE-Assays zur Detektion von miRNA. Hierbei sind auf der Trägeroberfläche eines Microarrays zwei verschiedene DNA-Sonden immobilisiert. Die erste der beiden DNA-Sonden enthält an ihrem 5'-Ende die Erkennungssequenz für eine RNA- Polymerase, beispielsweise die T7 -Promotorsequenz, wenn die T7-RNA-Polymerase verwendet wird. An ihrem 3 '-Ende ist diese erste DNA-Sonde revers-komplementär zu einer zu detektierenden miRNA. Die zweite DNA-Sonde auf der Trägeroberfläche ist reverskomplementär zur ersten DNA-Sonde. Nach Hybridisierung der miRNA an die erste DNA- Sonde wird die miRNA mittels Klenow-Enzym und Nukleotiden (NTP) in einer
Elongationsreaktion verlängert. Ein Teil der verwendeten Nukleotide kann eine Markierung wieFIG. 52 shows a variant of the RAKE assay for the detection of miRNA. In this case, two different DNA probes are immobilized on the carrier surface of a microarray. The first of the two DNA probes contains at its 5 'end the recognition sequence for an RNA polymerase, for example the T7 promoter sequence, when the T7 RNA polymerase is used. At its 3 'end, this first DNA probe is reverse-complementary to a miRNA to be detected. The second DNA probe on the support surface is reverse complementary to the first DNA probe. After hybridization of the miRNA to the first DNA probe miRNA by Klenow enzyme and nucleotides (NTP) in a Elongation reaction extended. Some of the nucleotides used may have a label like
Biotin tragen. Zum Beispiel können mit Biotin markierte Uridin-Nukleotide (bio-UTP) verwendet werden. Die Detektion der miRNA erfolgt über die eingebauten markiertenWear biotin. For example, biotin-labeled uridine nucleotides (bio-UTP) can be used. The detection of miRNA takes place via the incorporated labeled
Nukleotide. Nach der Detektion können ausgewählte, verlängerte miRNA-Moleküle durch Denaturierung von der Trägeroberfläche abgelöst werden. Zu diesen einzelsträngigen DNA-Nucleotides. After detection, selected, extended miRNA molecules can be detached from the support surface by denaturation. To these single-stranded DNA
RNA-Chimären, die aus der ursprünglichen miRNA und dem in der Elongationsreaktion angehängten DNA-Strang bestehen, werden reverse Transkriptase (= RT-Polymerase) und RNA-RNA chimeras consisting of the original miRNA and the DNA strand attached in the elongation reaction are called reverse transcriptase (= RT polymerase) and RNA
' Polymerase (z.B. T7 -Polymerase) hinzugegeben. In der durch diese Enzyme bewirkten 'Polymerase (for example T7 polymerase) was added. In caused by these enzymes
Amplifikationsreaktion wird der zur DNA-RNA-Chimäre revers-komplementäre Strang mit etwa einer 1000-fachen Amplifikation linear amplifiziert. Die Amplifikationsprodukte werden an die Trägeroberfläche des Microarrays zurückhybridisiert und hybridisieren dabei mit der oben genannten zweiten DNA-Sonde.Amplification reaction is amplified to the DNA-RNA chimera reverse-complementary strand with about a 1000-fold amplification linear. The amplification products are back-hybridized to the carrier surface of the microarray and hybridize with the above-mentioned second DNA probe.
Figur 53 zeigt Sonden mit einer Cap-Gruppe zur Verwendung in den Microarray- Systemen der Erfindung. Die auf Trägeroberfläche immobilisierten Sondenmoleküle weisen an ihrem 5'-Ende eine Cap-Gruppe auf. Bei Hybridisierung eines Zielmoleküls, z.B. einer miRNA, interagiert die Cap-Gruppe mit dem Duplex und erhöht dessen thermische Stabilität. Die chemische Struktur einer exemplarischen Cap-Gruppe ist im rechten Teil der Figur gezeigt. Die Interaktion der Cap-Gruppe mit dem Duplex verstärkt Unterschiede in der Schmelztemperatur zwischen vollständig Watson-Crick-gepaarten Duplexen and Duplexen, die Basenfehlpaarungen enthalten. Dies ist insbesondere für die Unterscheidung von miRNAs nützlich, die sich nur in einem oder wenigen Nukleotiden in der Nähe des 3'-Endes oder am 3'-Ende unterscheiden, z.B. Mitglieder der let-7-Familie.Figure 53 shows probes with a cap group for use in the microarray systems of the invention. The probe molecules immobilized on the carrier surface have a cap group at their 5 'end. Upon hybridization of a target molecule, e.g. a miRNA, the cap group interacts with the duplex and increases its thermal stability. The chemical structure of an exemplary cap group is shown in the right part of the figure. The interaction of the cap group with the duplex enhances differences in melting temperature between fully Watson-Crick paired duplexes and duplexes containing base mismatches. This is particularly useful for distinguishing miRNAs that differ only in one or a few nucleotides near the 3'-end or at the 3'-end, e.g. Members of the let-7 family.
5 Grundzüge des Lösungsweges5 main features of the solution
5.1 Definitionen5.1 Definitions
Bevor die vorliegende Erfindung unten im Detail beschrieben werden wird, wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die besonderen, hierin beschriebenen bevorzugten Verfahren, Versuchsvorschriften und Reagenzien beschränkt ist, da diese variieren können. Es ist auch selbstverständlich, dass die hierin verwendete Terminologie nur dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen dient und nicht den Umfang der vorliegenden Erfindung begrenzen soll, der nur durch die angehängten Patentansprüche begrenzt werden wird. Sofern hierin nichts anderes angegeben ist, haben alle technischen und wissenschaftlichen
Begriffe die gleichen Bedeutungen wie sie üblicherweise von einem gewöhnlichen Fachmann des Fachgebiets verstanden werden.Before the present invention will be described in detail below, it is to be understood that the invention is not limited to the particular preferred methods, procedures, and reagents described herein as these may vary. It is also to be understood that the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the scope of the present invention, which will be limited only by the appended claims. Unless otherwise stated herein, all technical and scientific Terms the same meanings as commonly understood by one of ordinary skill in the art.
Vorzugsweise haben die hierin verwendeten Begriffe die Bedeutung, die ihnen in "A multilingual glossary of biotechnological terms: (IUPAC Recommendations)", Leuenberger, H.G.W, Nagel, B. and Kölbl, H. eds. (1995), Helvetica Chimica Acta, CH-4010 Basel, Switzerland) zugeschrieben werden.Preferably, the terms used herein have the meaning given to them in "A multilingual glossary of biotechnological terms: (IUPAC Recommendations)", Leuenberger, H.G.W, Nagel, B. and Kölbl, H. eds. (1995), Helvetica Chimica Acta, CH-4010 Basel, Switzerland).
In der gesamten Beschreibung und den nachfolgenden Patentansprüchen beinhaltet das Wort „umfassen" und Variationen wie „umfasst" und „umfassend", sofern der Kontext nichts anderes verlangt, den Einschluss einer angegebenen ganzen Zahl oder eines Schritts oder einer Gruppe ganzer Zahlen oder Schritte, aber nicht den Ausschluss irgendeiner anderen ganzen Zahl oder eines Schrittes oder einer Gruppe ganzer Zahlen oder Schritte.Throughout the specification and subsequent claims, the word "comprising" and variations such as "comprises" and "comprising" includes, unless the context dictates otherwise, the inclusion of a given integer or step or group of integers or steps, but not the exclusion of any other integer or step or group of integers or steps.
Zahlreiche Dokumente werden im gesamten Text dieser Beschreibung zitiert. Jedes der hierin zitierten Dokumente (einschließlich aller Patentschriften, Patentanmeldungen, wissenschaftlicher Veröffentlichungen, Herstellerangaben, Anleitungen, Sequenzhinterlegungen bei GenBank unter einer Zugangsnummer (Accession Number) etc.), gleich ob im vorangegangen oder im nachfolgenden zitiert, ist hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen. Nichts in dieser Beschreibung soll als Eingeständnis ausgelegt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht berechtigt ist, solch einer Offenbarung kraft früherer Erfindung vorauszugehen. Ein „Rezeptor" im Sinne der vorliegenden Erfindung ist jedes Molekül, das einenNumerous documents are quoted throughout the text of this specification. Each of the documents cited herein (including all patents, patent applications, scientific publications, manufacturer's instructions, manuals, GenBank sequence records under an accession number, etc.), whether cited above or below, is hereby incorporated by reference in its entirety , Nothing in this description is intended to be construed as an admission that the present invention is not entitled to precede such disclosure in light of prior invention. A "receptor" in the context of the present invention is any molecule that has a
Analyten binden kann. Vorzugsweise ist die Bindung zum Analyten spezifisch und selektiv. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der „Rezeptor" immobilisiert, vorzugsweise auf einem Trägerkörper oder kurz Träger. Bevorzugte Rezeptoren der Erfindung umfassen Oligopeptide oder Polypeptide, im Folgenden auch kurz mit dem Begriff „Peptid" zusammengefasst. Diese Oligopeptide oder Polypeptide können aus den bekannten natürlich vorkommenden 20 Aminosäuren zusammengesetzt, sie können aber auch natürlich vorkommende oder synthetische Aminosäurenanaloga und/oder -derivate enthalten. Diese Aminosäuren, Aminosäureanaloga und/oder -derivate können optional Markierungen, wie z.B. Farbstoffe tragen. Oligopeptide bestehen typischerweise aus bis zu 30 Aminosäuren, Aminosäureanaloga und/oder -derivaten, während Polypeptide aus mehr als 30 Aminosäuren, Aminosäureanaloga und/oder -derivaten bestehen, wobei keine scharfe Abgrenzung zwischen Oligopeptiden oder Polypeptiden besteht. Oligopeptide oder Polypeptide, die als Rezeptor im Sinne der Erfindung verwendet werden, umfassen vorzugsweise mindestens 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Aminosäuren, Aminosäureanaloga
und/oder -derivate.Can bind analytes. Preferably, the binding to the analyte is specific and selective. In preferred embodiments of the invention, the "receptor" is immobilized, preferably on a carrier body or carrier for short. Preferred receptors of the invention include oligopeptides or polypeptides, also briefly summarized below by the term "peptide". These oligopeptides or polypeptides may be composed of the known naturally occurring 20 amino acids, but may also contain naturally occurring or synthetic amino acid analogs and / or derivatives. These amino acids, amino acid analogs and / or derivatives may optionally carry labels such as dyes. Oligopeptides typically consist of up to 30 amino acids, amino acid analogs and / or derivatives, while polypeptides consist of more than 30 amino acids, amino acid analogs and / or derivatives, with no sharp distinction between oligopeptides or polypeptides. Oligopeptides or polypeptides used as receptor in the sense of the invention preferably comprise at least 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40 , 45, 50, 55 or 60 amino acids, amino acid analogs and / or derivatives.
Besonders bevorzugte „Rezeptoren" der Erfindung umfassen Oligonukleotide oder Polynukleotide, im Folgenden auch zusammenfassend als Nukleinsäuren bezeichnet. Diese Oligonukleotide oder Polynukleotide bestehen vorzugsweise aus Desoxyribonukleotiden oder aus Ribonukleotiden oder aus Mischungen davon und können einzelsträngig oder doppelsträngig sein. Diese Oligonukleotide können darüber hinaus zusätzlich oder ausschließlich Nukleinsäureanaloga und/oder -derivate enthalten, wie z.B. Peptid-Nukleinsäuren (PNA), Locked-Nukleinsäuren (LNA), etc. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Nukleobasen dieser Desoxyribonukleotide, Ribonukleotide, Nukleotidanaloga und Nukleotidderivate ausgewählt aus Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G), Thymin (T) und Uracil (U), wobei Desoxyribonukleotide typischerweise die Nukleobasen A, C, G oder T enthalten und Ribonukleotide typischerweise die Nukleobasen A, C, G oder U enthalten. Außer den genannten Nukleobasen können die Rezeptoren der Erfindung auch Varianten und Derivate dieser Nukleobasen enthalten, beispielsweise methylierte Nukleobasen oder solche, die kovalent gebundene Markierungen, wie zum Beispiel Farbstoffe oder Haptene tragen. Oligonukleotide bestehen typischerweise aus bis zu 30 Nukleotiden, Nukleotidanaloga oder -derivaten, während Polynukleotide aus mehr als 30 Nukleotiden, Nukleotidanaloga oder -derivaten bestehen, wobei keine scharfe Abgrenzung zwischen Oligonukleotiden und Polynukleotiden besteht. Vorzugsweise umfassen Oligonukleotide oder Polynukleotide, die als Rezeptor im Sinne der Erfindung verwendet werden, mindestens 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 oder 60 Nukleotide, Nukleotidanaloga oder -derivate.Particularly preferred "receptors" of the invention comprise oligonucleotides or polynucleotides, also referred to collectively below as nucleic acids.These oligonucleotides or polynucleotides preferably consist of deoxyribonucleotides or of ribonucleotides or of mixtures thereof and may be single-stranded or double-stranded Nucleic acid analogs and / or derivatives, such as peptide nucleic acids (PNA), locked nucleic acids (LNA), etc. In preferred embodiments, the nucleobases of these deoxyribonucleotides, ribonucleotides, nucleotide analogues and nucleotide derivatives are selected from adenine (A), cytosine (C ), Guanine (G), thymine (T) and uracil (U), wherein deoxyribonucleotides typically contain nucleobases A, C, G or T and ribonucleotides typically contain nucleobases A, C, G or U. In addition to the nucleobases mentioned, the Receptors of the Erf Also include variants and derivatives of these nucleobases, such as methylated nucleobases or those carrying covalently linked labels, such as dyes or haptens. Oligonucleotides typically consist of up to 30 nucleotides, nucleotide analogs or derivatives, while polynucleotides consist of more than 30 nucleotides, nucleotide analogs or derivatives, with no sharp demarcation between oligonucleotides and polynucleotides. Preferably, oligonucleotides or polynucleotides used as receptor in the sense of the invention comprise at least 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 25, 30, 35, 40 , 45, 50, 55 or 60 nucleotides, nucleotide analogues or derivatives.
Als „Bausteine" werden im Folgenden die jeweils zu Rezeptoren verknüpften Einheiten bezeichnet. In der Regel sind dies einzelne Aminosäuren oder einzelne Nukleotide oder Nukleotidanaloga. In bestimmten Ausführungsformen kann ein Baustein jedoch auch aus 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 oder mehr Aminosäuren, Nukleotiden oder Nukleotideanaloga bestehen. In diesem Fall kann die Synthesezeit des Rezeptors bspw. bei Verwendung von Bausteinen, die aus zwei Nukleotiden bestehen, halbiert werden. Die freien Bausteine verfügen vorzugsweise über eine aktivierte oder kopplungsfähige Gruppe, über die der Baustein mit dem Träger oder einem bereits zuvor an den Träger angefügten Baustein verknüpft werden können sowie mindestens eine aktivierbare oder entschützbare Gruppe. Der Begriff „Aktivierung" wird hier im üblichen Sinne als eine Modifikation einer chemischen Gruppe verwendet, die es dieser Gruppe ermöglicht unter geeigneten Bedingungen - d.h. den in mikrofluidischen molekularbiologischen Prozessanlagen erreichbaren Bedingungen - eine kovalente Bindung zu einer anderen Gruppe auszubilden. Im Stand der Technik ist eine große Anzahl geeigneter Aktivierungsverfahren
bekannt, die es bspw. ermöglichen Nukleotide an eine freie OH-Gruppe oder Aminosäuren an eine freie Amino- oder Carboxygruppe anzufügen.In the following, the term "building blocks" refers to the units linked in each case to receptors, which are usually individual amino acids or individual nucleotides or nucleotide analogues However, in certain embodiments, a building block may also consist of 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10 or more amino acids, nucleotides or Nukleotideanaloga.In this case, the synthesis time of the receptor, for example, when using blocks that consist of two nucleotides, halved.The free blocks preferably have an activated or linkable group, via The term "activation" is used here in the usual sense as a modification of a chemical group which enables this group to be attached to the support or to a building block previously attached to the support suitable conditions - ie those in microfluidic molecular biology achievable conditions - to form a covalent bond to another group. There are a large number of suitable activation methods in the prior art known, for example, allow nucleotides to attach to a free OH group or amino acids to a free amino or carboxy group.
Der Begriff „asymmetrische Rezeptoren", wie er hierin verwendet wird, bezeichnet Rezeptoren, die aus mindestens 2 unterschiedlichen Arten von Rezeptorbausteinen bestehen, d.h. mehr als 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, oder 8 unterschiedliche Arten von Rezeptorbausteinen enthalten. Eine „Art von Rezeptorbausteinen" oder auch ein „Satz von Rezeptorbausteinen" umfasst jeweils eine Gruppe von Rezeptorbausteinen, die ein gemeinsames strukturelles Merkmal haben, sich aber in einem anderen strukturellen Merkmal unterscheiden. Falls der Rezeptor aus Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga und/oder Nukleinsäurederivaten besteht, so umfasst zum Beispiel ein „Satz von Rezeptorbausteinen" alle Desoxyribonukleotide unabhängig davon, welche Nukleobase das Desoxyribonukleotid trägt. Ein zweiter „Satz von Rezeptorbausteinen" umfasst beispielsweise alle Locked-Nukleinsäuren, d.h. alle LNA-Nukleotide, unabhängig davon, welche Nukleobase das jeweilige LNA-Nukleotide trägt. Das heißt also, dass ein „asymmetrischer Rezeptor", der aus Nukleinsäuren besteht, mindestens zwei verschiedenen Nukleotidarten, beispielsweise DNA+LN A oder DNA+PNA oder DNA+RNA, umfasst.The term "asymmetric receptors" as used herein refers to receptors consisting of at least 2 different types of receptor building blocks, ie containing more than 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, or 8 different types of receptor building blocks A "type of receptor building blocks" or else a "set of receptor building blocks" each comprise a group of receptor building blocks which have a common structural feature but differ in another structural feature For example, a "set of receptor building blocks" includes all deoxyribonucleotides, regardless of which nucleobase the deoxyribonucleotide carries. For example, a second "set of receptor building blocks" encompasses all locked nucleic acids, ie, all LNA nucleotides, regardless of which nucleobase carries the particular LNA nucleotide, ie, an "asymmetric receptor" consisting of nucleic acids, at least two different nucleotide types, for example DNA + LN A or DNA + PNA or DNA + RNA.
Die Rezeptoren der Erfindung können eine oder mehrere „Sekundärstrukturen" ausbilden. Ein Rezeptor der Erfindung kann in seiner Gesamtheit oder auch nur in Teilbereichen eine oder mehrere Sekundärstrukturen aufweisen. Für den Fall, dass die Rezeptoren der Erfindung Oligopeptide oder Polypeptide sind, so können diese unter anderem die dem Fachmann bekannten Sekundärstrukturen α-Helix, ß-Faltblatt und ß-Turn ausbilden. Diese Sekundärstrukturen setzen eine Mindestlänge des betreffenden Oligo- oder Polypeptids voraus, zum Beispiel im Fall von α-Helices mindestens 4 Aminosäuren, im Falle von ß-Faltblättern mindestens 4 Aminosäuren. Diese Sekundärstrukturen umfassen vorzugsweise mindestens 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25 oder 30 Aminosäuren. Für den Fall, dass die Rezeptoren der Erfindung Oligo- oder Polynukleotide sind, können sie Sekundärstrukturen wie z.B. Haarnadelstrukturen (engl, hairpin structure), interne Schlaufen {internal loops), so genannte „Bulges" (engl, bulge = Ausbuchtung) und/oder so genannte Pseudoknoten aufweisen. Es ist besonders bevorzugt, dass der Rezeptor ein einzelsträngiges Oligo- oder Polynukleotid ist und dass die Sekundärstruktur eine Haarnadelstruktur ist. Die Haarnadelstruktur ist gekennzeichnet durch eine Stammregion (engl, stem), die aus einer selbstkomplementären Helix besteht, und eine Schlaufenregion (engl loop), die aus einem einzelsträngigen, ungepaarten Bereich besteht. Vorzugsweise weist die Schlaufenregion eine Länge von mindestens 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 oder mehr Nukleotiden auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schlaufenregion eine Länge von höchstens 100, 90, 80, 70, 60, 50, Nukleotiden aufweist. Die Stammregion weist vorzugsweise
eine Länge von 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 oder mehr Basenpaaren auf. Weiterhin ist bevorzugt, dass die Stammregion eine Länge von höchstens 40, 35, 30, oder 25 Basenpaaren aufweist. Die Gesamtlänge des Rezeptors, der eine Haarnadelstruktur ausbildet, beträgt vorzugsweise mindestens 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 32, 35, 40, 45, 50, 60, 80, 100 oder mehr Nukleotide. Es versteht sich von selbst, dass ein Oligo- oder Polynukleotid nur dann eine Haarnadelstruktur ausbilden kann, wenn es über selbstkomplementäre Bereiche verfügt. Dem Fachmann sind Verfahren, Algorithmen und Computerprogramme zur Ermittlung solcher selbstkomplementären Bereiche und zur Konstruktion von Oligo- bzw. Polynukleotiden, die Haarnadelstrukturen oder andere Sekundärstrukturen aufweisen, bekannt. Dem Fachmann sind weiterhin experimentelle oder rechnerische Verfahren, Algorithmen oder Computerprogramme zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften solcher Haarnadelstrukturen bekannt; insbesondere kennt der Fachmann experimentelle oder rechnerische Verfahren zu Bestimmung der Schmelztemperatur solcher Haarnadelstrukturen, genauer gesagt der Stammregion der Haarnadel. In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist die Schmelztemperatur der Haarnadelstruktur niedriger als die Schmelztemperatur des Hybridisierungsprodukts aus Rezeptor und spezifisch bindefähigem Analyten. In anderen Worten: in Gegenwart eines spezifisch bindefähigen Analyten löst sich die Haarnadelstruktur auf, und der Rezeptor und der spezifisch bindefähige Analyt hybridisieren miteinander. Eine „Lichtquellenmatrix" im Sinne dieser Erfindung ist vorzugsweise eine programmierbare Lichtquellenmatrix, z. B. ausgewählt aus einer Lichtventilmatrix, einem Spiegelarray, einem UV-Laserarray und einem UV-LED-(Dioden)-Array. Die programmierbare Lichtquellenmatrix bzw. Belichtungsmatrix kann eine Reflexionsmatrix, eine Lichtventilmatrix, z. B. eine LCD-Matrix, oder eine selbstemittierende Belichtungsmatrix sein. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Lichtventilmatrix eine Strahlungsquelle steuern, die vorzugsweise vorbestimmte Positionen ansteuern kann. Derartige Lichtmatrices sind z.B. in WO 00/13018 offenbart. Vorzugsweise ist die Lichtventilmatrix ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus DLP, LCoS-Panels, und LCD-Panels und die Strahlungsquelle, welche vorbestimmte Positionen ansteuern kann, ist ausgewählt aus einem LED-Array und einem OLED-Array. Eine „miniaturisierte Flusszelle" im Sinne dieser Erfindung ist eine dreidimensionaleThe receptors of the invention may form one or more "secondary structures." A receptor of the invention may comprise one or more secondary structures in its entirety, or even in some subregions, in the case where the receptors of the invention are oligopeptides or polypeptides These secondary structures require a minimum length of the oligo- or polypeptide in question, for example in the case of α-helices at least 4 amino acids, in the case of β-sheets These secondary structures preferably comprise at least 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 20, 25 or 30 amino acids In the event that the receptors of the invention are oligo- or Polynucleotides are, they can secondary structures such as hairpin structures (English, hairpin structure), internal loops (internal loops), so-called "B ulges "(English, bulge = bulge) and / or so-called pseudoknot have. It is particularly preferred that the receptor is a single-stranded oligo- or polynucleotide and that the secondary structure is a hairpin structure. The hairpin structure is characterized by a stem region consisting of a self-complementary helix and a loop region consisting of a single-stranded, unpaired region. Preferably, the loop region has a length of at least 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 or more nucleotides. Furthermore, it is preferred that the loop region has a length of at most 100, 90, 80, 70, 60, 50, nucleotides. The stem region preferably has a length of 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 or more base pairs. Furthermore, it is preferred that the stem region has a length of at most 40, 35, 30, or 25 base pairs. The total length of the receptor forming a hairpin structure is preferably at least 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27 , 28, 29, 30, 32, 35, 40, 45, 50, 60, 80, 100 or more nucleotides. It goes without saying that an oligo- or polynucleotide can form a hairpin structure only if it has self-complementary regions. The person skilled in the art is aware of methods, algorithms and computer programs for determining such self-complementary regions and for constructing oligo- or polynucleotides which have hairpin structures or other secondary structures. The skilled person is further known experimental or computational methods, algorithms or computer programs for determining physical properties of such hairpin structures; In particular, those skilled in the art are familiar with experimental or computational methods for determining the melting temperature of such hairpin structures, more specifically, the trunk region of the hairpin. In preferred embodiments of the invention, the melting temperature of the hairpin structure is lower than the melting temperature of the hybridization product of receptor and specifically bindable analyte. In other words, in the presence of a specifically bindable analyte, the hairpin structure dissolves and the receptor and the specifically bindable analyte hybridize with each other. A "light source matrix" in the sense of this invention is preferably a programmable light source matrix, for example selected from a light valve matrix, a mirror array, a UV laser array and a UV LED (diode) array In preferred embodiments, the light valve matrix may control a radiation source, which may preferably drive to predetermined positions Such light matrices are disclosed, for example, in WO 00/13018 the light valve matrix selected from the group consisting of DLP, LCoS panels, and LCD panels, and the radiation source capable of driving predetermined positions is selected from an LED array and an OLED array, a "miniaturized flow cell" within the meaning of this invention is a three-dimensional
Mikrokavität, die jeweils über mindestens einen Eingang und einen Ausgang verfügt. Vorzugsweise ist der Innenraum so gestaltet, dass er wie ein einziger langer Kanal von einem oder mehreren Eingängen zu einem oder mehreren Ausgängen führt und somit eine schnelle druckgetriebene Befüllung (Über- und/oder Unterdruck) mit Reagenzien und sonstigen Medien
erlaubt. Dieser Kanal hat vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 10.000 μm, besonders bevorzugt von 50 bis 250 μm und kann grundsätzlich in beliebiger Form ausgestaltet sein, z. B. mit rundem, ovalem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt. Die Länge einer Flusszelle kann zwischen 10 μm und 10 cm variieren. Bei Flusszellenlängen, die die Breite bzw. Länge des Trägers überschreiten, kann diese auch mäanderförmig angebracht werden.Microcavity, which has at least one input and one output. Preferably, the interior space is designed to lead, like a single long channel, from one or more entrances to one or more exits, thus providing fast pressure-driven inflation (positive and / or negative pressure) with reagents and other media allowed. This channel preferably has a diameter in the range of 10 to 10,000 .mu.m, particularly preferably from 50 to 250 .mu.m, and may in principle be configured in any desired form, for. B. with round, oval, square or rectangular cross-section. The length of a flow cell can vary between 10 μm and 10 cm. For flow cell lengths that exceed the width or length of the carrier, this can also be attached meandering.
Eine „Primerverlängerungsreaktion" im Sinne der Erfindung bezeichnet jede Reaktion, bei der ein Primermolekül, welches an ein Templat hybridisiert ist, in Abhängigkeit von der Sequenz des Templats verlängert wird. Das Templat kann eine Nukleinsäure, d.h. DNA oder RNA, oder ein Nukleinsäureanalogon sein. Falls es sich bei dem Templat um DNA handelt, kann die Primerverlängerungsreaktion durch jede geeignete, dem Fachmann bekannte DNA- abhängige Polymerase erreicht werden. Vorzugsweise ist die DNA-abhängige Polymerase eine DNA-Polymerase, jedoch können auch geeignete DNA-abhängige RNA-Polymerasen in den „Primerverlängerungsreaktionen" der Erfindung Verwendung finden. Falls es sich bei dem Templat um RNA handelt, kann die Primerverlängerungsreaktion durch jede geeignete, dem Fachmann bekannte RNA-abhängige Polymerase erreicht werden. Vorzugsweise ist die RNA- abhängige Polymerase eine RNA-abhängige DNA-Polymerase Solche RNA-abhängigen DNA- Polymerasen sind auch als „Reverse Transkriptasen" bekannt.A "primer extension reaction" in the sense of the invention refers to any reaction in which a primer molecule which has hybridized to a template is extended as a function of the sequence of the template The template can be a nucleic acid, ie DNA or RNA, or a nucleic acid analog. If the template is DNA, the primer extension reaction may be accomplished by any suitable DNA-dependent polymerase known in the art Preferably, the DNA-dependent polymerase is a DNA polymerase, but suitable DNA-dependent RNA polymerases may also be used the "primer extension reactions" of the invention find use. If the template is RNA, the primer extension reaction can be accomplished by any suitable RNA-dependent polymerase known to those skilled in the art. Preferably, the RNA-dependent polymerase is an RNA-dependent DNA polymerase. Such RNA-dependent DNA polymerases are also known as "reverse transcriptases".
Ein „Amplifikation" einer Nukleinsäure im Sinne dieser Erfindung bezeichnet jede Erzeugung eines neuen Nukleinsäurestrangs ausgehend von einem vorhandenen Nukleinsäurestrang. Der Begriff „Amplifikation" schließt somit auch die Synthese eines einzelnen komplementären Strangs in einer Primerverlängerungsreaktion ein. Der Begriff „Amplifikation" umfasst vorzugsweise auch die Verdoppelung oder weitere Vervielfältigung von Nukleinsäuresträngen in Verfahren wie Polymerasekettenreaktion oder Multiple Displacement Amplification.For the purposes of the present invention, an "amplification" of a nucleic acid means any generation of a new strand of nucleic acid from an existing nucleic acid strand. Thus, the term "amplification" also includes the synthesis of a single complementary strand in a primer extension reaction. The term "amplification" preferably also includes the duplication or further amplification of nucleic acid strands in processes such as polymerase chain reaction or multiple displacement amplification.
5.2 Kurzfassung der Erfindung5.2 Summary of the invention
In einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine molekularbiologische Prozessanlage umfassend (a) ein Gerät für die m-s//w-Synthese von Arrays von Rezeptoren, (b) ein oder mehrere Elemente für die Abarbeitung fluidischer Schritte, wie der Probenzugabe, Reagenzien-Zugabe, Waschschritte oder/und Probenableitung, (c) eine Detektionseinheit für die Erfassung eines optischen oder elektrischen Signals, (d) eine speicherprogrammierbare Einheit für die Steuerung der Synthese, und (e) eine speicherprogrammierbare Einheit für die Steuerung der Fluidik, der Detektion und der Speicherung und Verwaltung der Messdaten.In a first aspect, the invention relates to a molecular biological processing system comprising (a) a device for the ms // w synthesis of arrays of receptors, (b) one or more elements for the processing of fluidic steps, such as the addition of samples, reagent (C) a detection unit for the detection of an optical or electrical signal, (d) a programmable logic control unit, and (e) a programmable fluidics control, detection and control unit storage and management of measurement data.
In bevorzugten Ausführungsformen dieses ersten Aspekts ist die molekularbiologische
Prozessanlage dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere miniaturisierte Flusszellen aufweist und dass ein fluidischer Schritt in dieser einen oder diesen mehreren miniaturisierten Flusszellen 1 min oder weniger, mehr bevorzugt 30 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 10 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,01 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,001 sec oder weniger und am meisten bevorzugt 0,0001 sec oder weniger dauert. In bevorzugten Ausfuhrungsformen dieses ersten Aspekts ist die molekularbiologische Prozessanlage dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere miniaturisierte Flusszellen aufweist und dass das Fluidvolumen in dieser einen oder diesen mehreren miniaturisierten Flusszellen 40% oder weniger, mehr bevorzugt 25% oder weniger, noch mehr bevorzugt 10% oder weniger, noch mehr bevorzugt 5% oder weniger, noch mehr bevorzugt 1% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,5% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,1% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,01% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,001% oder weniger und am meisten bevorzugt 0,0001% oder weniger des Volumens der Zuleitung zum Fluidreservoir beträgt. In bevorzugten Ausführungsformen dieses ersten Aspekts ist die molekularbiologische Prozessanlage dadurch gekennzeichnet, dass sie eine oder mehrere miniaturisierte Flusszellen aufweist und dass bei der Abarbeitung der fluidischen Schritte mindestens 2, mehr bevorzugt mindestens 5, noch mehr bevorzugt mindestens 10, noch mehr bevorzugt mindestens 100, noch mehr bevorzugt mindestens 500 und am meisten bevorzugt mindestens 1000 unterschiedliche Reagenzien in diese eine oder diese mehreren miniaturisierten Flusszellen eingebracht werden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen werden bei der Abarbeitung der fluidischen Schritte diese unterschiedlichen Reagenzien in 10 min oder weniger, vorzugsweise in 1 min oder weniger, mehr bevorzugt in 30 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt in 10 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt in 1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt in 0,1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt in 0,01 sec oder weniger und am meisten bevorzugt in 0,001 sec oder weniger in eine oder mehrere miniaturisierte Flusszellen eingebracht.In preferred embodiments of this first aspect, the molecular biology Process plant characterized in that it comprises one or more miniaturized flow cells and that a fluidic step in said one or more miniaturized flow cells is 1 minute or less, more preferably 30 seconds or less, even more preferably 10 seconds or less, even more preferably 1 second or less, more preferably 0.1 sec or less, even more preferably 0.01 sec or less, even more preferably 0.001 sec or less, and most preferably 0.0001 sec or less. In preferred embodiments of this first aspect, the molecular biology process plant is characterized by having one or more miniaturized flow cells and the volume of fluid in said one or more miniaturized flow cells is 40% or less, more preferably 25% or less, even more preferably 10%. or less, more preferably 5% or less, still more preferably 1% or less, even more preferably 0.5% or less, even more preferably 0.1% or less, even more preferably 0.01% or less, still more preferably 0.001% or less and most preferably 0.0001% or less of the volume of the supply to the fluid reservoir. In preferred embodiments of this first aspect, the molecular biological process plant is characterized in that it has one or more miniaturized flow cells and that during the processing of the fluidic steps at least 2, more preferably at least 5, even more preferably at least 10, even more preferably at least 100, still more preferably at least 500 and most preferably at least 1000 different reagents are introduced into these one or more miniaturized flow cells. In particularly preferred embodiments, when processing the fluidic steps, these different reagents will be in 10 minutes or less, preferably 1 minute or less, more preferably 30 seconds or less, even more preferably 10 seconds or less, even more preferably 1 second or less, more preferably in 0.1 second or less, even more preferably in 0.01 second or less, and most preferably in 0.001 second or less, into one or more miniaturized flow cells.
In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Analyse der Nukleinsäuresequenz eines Nukleinsäureanalyten umfassend die Schritte: (a) in-situ-Synthese wenigstens einer Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; (b) Zugabe wenigstens eines einzelsträngigen oder doppelsträngigen Nukleinsäureanalyten zu den miniaturisierten Flusszellen; (c) Ligation oder sequenzspezifische Hybridisierung des Nukleinsäureanalyten an die Oligonukleotidsonde; und (d) wenigstens ein templat-abhängiger Nukleinsäuresyntheseschritt, der mit einer Änderung in einem optischen oder elektrischen Signal einhergeht.
In bevorzugten Ausfuhrungsformen dieses zweiten Aspekts beträgt das Innenvolumen der Flusszelle aus Schritt (a) vorzugsweise 40% oder weniger, mehr bevorzugt 25% oder weniger, noch mehr bevorzugt 10% oder weniger, noch mehr bevorzugt 5% oder weniger, noch mehr bevorzugt 1% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,5% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,1% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,01% oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,001% oder weniger und am meisten bevorzugt 0,0001% oder weniger des Volumens der Zuleitung zum Fluidreservoir. In bevorzugten Ausführungsformen dieses zweiten Aspekts ist die Flusszelle aus Schritt (a) dadurch gekennzeichnet, dass ein fluidischer Schritt vorzugsweise 1 min oder weniger, mehr bevorzugt 30 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 10 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,1 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,01 sec oder weniger, noch mehr bevorzugt 0,001 sec oder weniger und am meisten bevorzugt 0,0001 sec oder weniger dauert.In a second aspect, the invention relates to a method of analyzing the nucleic acid sequence of a nucleic acid analyte comprising the steps of: (a) in situ synthesis of at least one oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; (b) adding at least one single-stranded or double-stranded nucleic acid analyte to the miniaturized flow cells; (c) ligation or sequence-specific hybridization of the nucleic acid analyte to the oligonucleotide probe; and (d) at least one template-dependent nucleic acid synthesis step associated with a change in an optical or electrical signal. In preferred embodiments of this second aspect, the internal volume of the flow cell of step (a) is preferably 40% or less, more preferably 25% or less, even more preferably 10% or less, even more preferably 5% or less, even more preferably 1%. or less, more preferably 0.5% or less, even more preferably 0.1% or less, still more preferably 0.01% or less, still more preferably 0.001% or less, and most preferably 0.0001% or less the volume of the supply line to the fluid reservoir. In preferred embodiments of this second aspect, the flow cell of step (a) is characterized in that a fluidic step is preferably 1 minute or less, more preferably 30 seconds or less, even more preferably 10 seconds or less, even more preferably 1 second or less, even more preferably 0.1 sec or less, more preferably 0.01 sec or less, even more preferably 0.001 sec or less, and most preferably 0.0001 sec or less.
In einem dritten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Amplifikation einer Zielnukleinsäure umfassend die Schritte: (a) m-s/Yw-Synthese wenigstens einer Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; (b) Zugabe wenigstens eines einzel- oder doppelsträngigen Nukleinsäureanalyten zu den miniaturisierten Flusszellen; (c) Ligation oder sequenzspezifische Hybridisierung des Nukleinsäureanalyten an die Oligonukleotidsonde; und (d) wenigstens eine Runde Nukleinsäureamplifikation. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dritten Aspekts umfasst Schritt (d) den Schritt einer Templat-abhängigen Nukleinsäuresynthese und/oder das Ligieren eines Oligonukleotidprimer oder eines Adapternukleotids an den Nukleinsäureanalyten und/oder den Schritt des Verdaus mit einer Restriktionsendonuklease. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dritten Aspekts geht einer oder mehrere der Schritte (a) bis (d) mit einer Änderung in optischen oder elektrischen Eigenschaften einher. Vorzugsweise ist diese Änderung einer optischen Eigenschaft eine Änderung der Lokalisation, der Emission, der Absorption, oder der Menge eines optischen Markers. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dritten Aspekts umfasst das Verfahren zusätzlich den Schritt einer m-s/tw-Synthese wenigstens eines Oligonukleotidprimers in der miniaturisierten Flusszelle, der in seinem Synthesebereich ablösbar befestigt ist. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dritten Aspekts umfasst das Verfahren zusätzlich das Freisetzen zweier oder mehr Oligonukleotidprimer und deren Hybridisierung zur Ausbildung eines doppelsträngigen Adapteroligonukleotids. Es ist außerdem bevorzugt, dass das Amplifikationsverfahren ausgewählt ist aus Strand-displacement-Ampliükation, PCR und Äo/Z/ng-czVc/e-Amplifikation. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dritten Aspekts wird
das Amplifikationsprodukt von der Oberfläche des der miniaturisierten Flusszelle freigesetzt. Es ist außerdem bevorzugt, dass das Amplifikationsprodukt einem oder mehreren weiteren Verarbeitungs- und/oder Analyseschritten unterzogen wird, die ausgewählt sind aus PCR, Gelelektrophorese, Ligation, Restriktionsverdau, Phosphatase-Behandlung, Kinase-Behandlung, m-vzϊro-Proteintranslation und m-vzvo-Proteintranslation.In a third aspect, the invention relates to a method of amplifying a target nucleic acid comprising the steps of: (a) ms / Yw synthesis of at least one oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; (b) adding at least one single or double stranded nucleic acid analyte to the miniaturized flow cells; (c) ligation or sequence-specific hybridization of the nucleic acid analyte to the oligonucleotide probe; and (d) at least one round of nucleic acid amplification. In preferred embodiments of this third aspect, step (d) comprises the step of template-dependent nucleic acid synthesis and / or ligating an oligonucleotide primer or adapter nucleotide to the nucleic acid analyte and / or the step of digestion with a restriction endonuclease. In preferred embodiments of this third aspect, one or more of steps (a) through (d) is accompanied by a change in optical or electrical properties. Preferably, this change in optical property is a change in localization, emission, absorption, or amount of an optical marker. In preferred embodiments of this third aspect, the method additionally comprises the step of ms / tw synthesis of at least one oligonucleotide primer in the miniaturized flow cell detachably attached in its synthesis region. In preferred embodiments of this third aspect, the method additionally comprises releasing two or more oligonucleotide primers and hybridizing them to form a double-stranded adapter oligonucleotide. It is also preferred that the amplification method be selected from strand displacement amplification, PCR and λ / Z / ng czVc / e amplification. In preferred embodiments of this third aspect the amplification product is released from the surface of the miniaturized flow cell. It is also preferred that the amplification product be subjected to one or more further processing and / or analysis steps selected from PCR, gel electrophoresis, ligation, restriction digestion, phosphatase treatment, kinase treatment, m-vzϊro protein translation and m-vzvo -Proteintranslation.
In einem vierten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Amplifikation einer Zielnukleinsäure umfassend die Schritte: (a) /w-s/tw-Synthese wenigstens einer Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; wobei die Oligonukleotidsonde intramolekulare Hybridisierungsbereiche aufweist; wobei einer der intramolekularen Hybridisierungsbereiche am 3 '-Ende der Oligonukleotidsonde positioniert ist; und wobei eine Erkennungssequenz für eine Nicking-Endonuklease (I) in dem Hybridisierungsbereich am 3 '-Ende der Oligonukleotidsonde vorhanden ist, oder (II) durch eine sequenzabhängige Verlängerung des Hybridisierungsbereich am 3 '-Ende der Oligonukleotidsonde generiert werden kann, oder (III) in dem Hybridisierungsbereich am 3'- Ende der Oligonukleotidsonde partiell vorhanden ist und durch eine sequenzabhängige Verlängerung des Hybridisierungsbereichs am 3 '-Ende der Oligonukleotidsonde vervollständigt werden kann; (b) sequenzspezifische Hybridisierung der intramolekularen Hybridisierungsbereiche der Oligonukleotidsonde miteinander; (c) Zugabe einer DNA- Polymerase; (d) sequenzabhängige Synthese eines komplementären DNA-Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom 3 '-Ende der Oligonukleotidsonde; (e) Zugabe einer Nicking- Endonuclease; (f) Erzeugung eines erkennungssequenzspezifischen Einzelstrangbruchs durch die Nicking-Endonuclease; (g) sequenzabhängige Synthese eines neuen komplementären DNA- Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom in (f) erzeugten Einzelstrangbruch unter Verdrängung des zuvor synthetisierten komplementären DNA-Strangs; und (h) optional einmalige oder mehrmalige Wiederholung der Schritte (f) und (g); wobei Schritt (c) vor, während oder nach Schritt (b) erfolgend kann; und wobei Schritt (e) vor, während oder nach einem der Schritte (b), (c) oder (d) erfolgen kann.In a fourth aspect, the invention relates to a method of amplifying a target nucleic acid comprising the steps of: (a) / w-s / tw synthesis of at least one oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; wherein the oligonucleotide probe has intramolecular hybridization regions; wherein one of the intramolecular hybridization regions is positioned at the 3 'end of the oligonucleotide probe; and wherein a recognition sequence for a nicking endonuclease (I) is present in the hybridization region at the 3 'end of the oligonucleotide probe, or (II) can be generated by a sequence-dependent extension of the hybridization region at the 3' end of the oligonucleotide probe, or (III) is partially present in the hybridization region at the 3 'end of the oligonucleotide probe and can be completed by a sequence-dependent extension of the hybridization region at the 3' end of the oligonucleotide probe; (b) sequence-specific hybridization of the intramolecular hybridization regions of the oligonucleotide probe to each other; (c) adding a DNA polymerase; (d) sequence-dependent synthesis of a complementary strand of DNA by the DNA polymerase from the 3 'end of the oligonucleotide probe; (e) adding a nicking endonuclease; (f) generation of a recognition sequence specific single strand break by the nicking endonuclease; (g) sequence-dependent synthesis of a new complementary DNA strand by the DNA polymerase starting from the single-strand break generated in (f) with displacement of the previously synthesized complementary DNA strand; and (h) optionally repeating steps (f) and (g) one or more times; wherein step (c) may occur before, during or after step (b); and wherein step (e) may occur before, during or after any of steps (b), (c) or (d).
In einem fünften Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Amplifikation einer Zielnukleinsäure umfassend die Schritte: (a) m-s/tw-Synthese wenigstens einer Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; (b) Zugabe eines Primermoleküls; wobei der Primer so gestaltet ist, dass er zumindest an seinem 3 '-Ende einen zur Oligonukleotidsonde komplementären Bereich aufweist; und wobei eine Erkennungssequenz für eine Nicking-Endonuklease (I) in dem zur Oligonukleotidsonde komplementären Bereich des Primers vorhanden ist, oder (II) durch eine sequenzabhängige
Verlängerung des zur Oligonukleotidsonde komplementären Bereichs generiert werden kann, oder (III) in dem zur Oligonukleotidsonde komplementären Bereich des Primers partiell vorhanden ist und durch eine sequenzabhängige Verlängerung des zur Oligonukleotidsonde komplementären Bereichs des Primers vervollständigt werden kann; (c) sequenzspezifische Hybridisierung des Primermoleküls an die Oligonukleotidsonde; (d) Zugabe einer DNA- Polymerase; (e) sequenzabhängige Synthese eines komplementären DNA-Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom 3 '-Ende des Primermoleküls; (f) Zugabe einer Nicking- Endonuclease; (g) Erzeugung eines erkennungssequenzspezifischen Einzelstrangbruchs durch die Nicking-Endonuclease; (h) sequenzabhängige Synthese eines neuen komplementären DNA- Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom in (g) erzeugten Einzelstrangbruch unter Verdrängung des zuvor synthetisierten komplementären DNA-Strangs; und (i) optional einmalige oder mehrmalige Wiederholung der Schritte (g) und (h); wobei Schritt (d) vor, während oder nach einem der Schritt (b) oder (c) erfolgen kann; und wobei Schritt (f) vor, während oder nach einem der Schritte (b), (c), (d) oder (e) erfolgen kann. In einem sechsten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Ampliflkation einer Zielnukleinsäure umfassend die Schritte: (a) /«-s/Yw-Synthese einer Vielzahl wenigstens einer ersten Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; (b) in-situ-Synthese einer Vielzahl wenigstens einer zweiten Oligonukleotidsonde in wenigstens einem Synthesebereich in einer miniaturisierten Flusszelle; wobei der Abstand zwischen zwei beliebigen Oligonukleotidsonden jeweils so gewählt ist, dass sie nicht aneinander binden können; wobei jeweils zugehörige erste und zweite Oligonukleotidsonden im selben Synthesebereich synthetisiert werden; (c) Zugabe wenigstens eines einzel- oder doppelsträngigen Nukleinsäureanalyten zu den miniaturisierten Flusszellen; (d) Ligation oder sequenzspezifische Hybridisierung des Nukleinsäureanalyten an eine erste Oligonukleotidsonde; (e) Zugabe einer DNA-Polymerase; (f) sequenzabhängige Synthese eines komplementären DNA-Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom 3 '-Ende der ersten Oligonukleotidsonde; (g) Ligation oder sequenzspezifische Hybridisierung des in (f) neu synthetisierten DNA-Strangs an eine zweite Oligonukleotidsonde; (h) sequenzabhängige Synthese eines komplementären DNA-Strangs durch die DNA-Polymerase ausgehend vom 3 '-Ende der zweiten Oligonukleotidsonde; (i) optional Ligation oder sequenzspezifische Hybridisierung des in (h) neu synthetisierten DNA- Strangs an eine erste Oligonukleotidsonde; und Q) optional einmalige oder mehrmalige Wiederholung der Schritte (f) bis (i); wobei Schritt (e) vor, während oder nach einem der Schritte (b), (c) oder (d) erfolgen kann.In a fifth aspect, the invention relates to a method of amplifying a target nucleic acid comprising the steps of: (a) ms / tw synthesis of at least one oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; (b) adding a primer molecule; wherein the primer is designed to have at least at its 3 'end a region complementary to the oligonucleotide probe; and wherein a recognition sequence for a nicking endonuclease (I) is present in the region of the primer complementary to the oligonucleotide probe, or (II) by a sequence-dependent Extension of the region complementary to the oligonucleotide probe can be generated, or (III) is partially present in the region of the primer complementary to the oligonucleotide probe and can be completed by a sequence-dependent extension of the region of the primer complementary to the oligonucleotide probe; (c) sequence-specific hybridization of the primer molecule to the oligonucleotide probe; (d) adding a DNA polymerase; (e) sequence-dependent synthesis of a complementary strand of DNA by the DNA polymerase from the 3 'end of the primer molecule; (f) adding a nicking endonuclease; (g) generation of a recognition sequence specific single strand break by the nicking endonuclease; (h) sequence-dependent synthesis of a new complementary DNA strand by the DNA polymerase starting from the single-strand break generated in (g) with displacement of the previously synthesized complementary DNA strand; and (i) optionally one or more repetitions of steps (g) and (h); wherein step (d) may be before, during or after any of step (b) or (c); and wherein step (f) may occur before, during or after any one of steps (b), (c), (d) or (e). In a sixth aspect, the invention relates to a method of amplifying a target nucleic acid comprising the steps of: (a) / ss / Yw synthesis of a plurality of at least one first oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; (b) in situ synthesis of a plurality of at least one second oligonucleotide probe in at least one synthesis region in a miniaturized flow cell; wherein the distance between any two oligonucleotide probes is selected so that they can not bind to each other; in each case associated first and second oligonucleotide probes are synthesized in the same synthesis region; (c) adding at least one single- or double-stranded nucleic acid analyte to the miniaturized flow cells; (d) ligating or sequence-specific hybridization of the nucleic acid analyte to a first oligonucleotide probe; (e) adding a DNA polymerase; (f) sequence dependent synthesis of a complementary strand of DNA by the DNA polymerase from the 3 'end of the first oligonucleotide probe; (g) ligating or sequence-specific hybridization of the newly synthesized DNA strand in (f) to a second oligonucleotide probe; (h) sequence-dependent synthesis of a complementary strand of DNA by the DNA polymerase from the 3 'end of the second oligonucleotide probe; (i) optionally ligation or sequence-specific hybridization of the newly synthesized DNA strand in (h) to a first oligonucleotide probe; and Q) optionally repeating steps (f) to (i) once or several times; wherein step (e) may be before, during or after any of steps (b), (c) or (d).
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren zur Amplifϊkation
einer Zielnukleinsäure enthalten die Verfahren einen oder mehrere stringente Waschschritte, vorzugsweise einen stringenten Waschschritt nach Schritt (d) und/oder nach Schritt (f) des sechsten Aspekts.In preferred embodiments of the method according to the invention for Amplifϊkation of a target nucleic acid, the methods comprise one or more stringent washing steps, preferably a stringent washing step after step (d) and / or after step (f) of the sixth aspect.
In bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren zur Amplifikation einer Zielnukleinsäure wird die Menge der neu synthetisierten Nukleinsäuren in Echtzeit bestimmt.In preferred embodiments of the method according to the invention for amplifying a target nucleic acid, the amount of newly synthesized nucleic acids is determined in real time.
In einem siebten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für die Bestimmung von Nukleinsäure-Analyten durch Hybridisierung, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägerkörpers und (b) schrittweises Aufbauen eines Arrays von mehreren verschiedenen Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga auf dem Träger durch orts- oder/und zeitspezifisches Immobilisieren von Rezeptorbausteinen an jeweils vorbestimmten Positionen auf dem oder im Trägerkörper, wobei man für die Synthese der Rezeptoren mehrere unterschiedliche Sätze von Synthesebausteinen verwendet, um asymmetrische, d.h. aus mehreren unterschiedlichen Arten von Rezeptorbausteinen bestehende Rezeptoren zu erhalten.In a seventh aspect, the invention relates to a method for the preparation of a carrier for the determination of nucleic acid analytes by hybridization, comprising the steps: (a) providing a carrier body and (b) constructing an array of several different receptors selected from nucleic acids step by step and nucleic acid analogs on the support by local or / and time-specific immobilization of receptor building blocks at respectively predetermined positions on or in the carrier body, wherein one uses several different sets of synthetic building blocks for the synthesis of the receptors to asymmetric, ie to obtain from several different types of receptor building blocks existing receptors.
In einem achten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für die Bestimmung von Nukleinsäure-Analyten durch Hybridisierung, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägerkörpers und (b) schrittweises Aufbauen eines Arrays von mehreren verschiedenen Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga auf dem Träger durch orts- oder/und zeitspezifisches Immobilisieren von Rezeptorbausteinen an jeweils vorbestimmten Positionen auf dem oder im Trägerkörper, wobei in einer oder mehreren der vorbestimmten Positionen die Nukleotidsequenzen der Rezeptoren derart ausgewählt sind, dass die Rezeptoren in Abwesenheit eines damit spezifisch bindefähigen Analyten zumindest teilweise als Sekundärstruktur vorliegen. In einem neunten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung von Analyten, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga immobilisiert sind, wobei in einem oder mehreren der vorbestimmten Bereiche die Rezeptoren aus mehreren unterschiedlichen Arten von Rezeptorbausteinen bestehen, (b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe und (c) Bestimmen der Analyten über deren Bindung an die auf dem Träger immobilisierten Rezeptoren, wobei die Bindung eines Analyten an einem damit spezifisch bindefähigen Rezeptor zu einer detektierbaren Signaländerung führt.In an eighth aspect, the invention relates to a method of making a carrier for the determination of nucleic acid analytes by hybridization comprising the steps of: (a) providing a carrier and (b) constructing an array of several different receptors selected from nucleic acids stepwise and nucleic acid analogs on the carrier by local or / and time-specific immobilization of receptor building blocks at respectively predetermined positions on or in the carrier body, wherein in one or more of the predetermined positions, the nucleotide sequences of the receptors are selected such that the receptors are specifically bindable in the absence thereof Analytes at least partially present as a secondary structure. In a ninth aspect, the invention relates to a method for the determination of analytes, comprising the steps of: (a) providing a carrier having a plurality of predetermined regions to each of which different receptors are immobilized selected from nucleic acids and nucleic acid analogs, wherein in one or more of (b) contacting the carrier with an analyte-containing sample, and (c) determining the analytes via their binding to the receptors immobilized on the carrier, the binding of an analyte to a specific one thereof bindable receptor leads to a detectable signal change.
In einem zehnten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung
von Analyten, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga immobilisiert sind, wobei in einem oder mehreren der vorbestimmten Bereiche die Rezeptoren in Abwesenheit eines damit spezifisch bindefähigen Analyten zumindest teilweise als Sekundärstruktur vorliegen, (b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe und (c) Bestimmen der Analyten über deren Bindung an die auf dem Träger immobilisierten Rezeptoren, wobei die Bindung eines Analyten an einem damit spezifisch bindefähigen Rezeptor den Nachweis der Auflösung der in Abwesenheit des Analyten vorliegenden Sekundärstruktur umfasst. In einem elften Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung vonIn a tenth aspect, the invention relates to a method of determination analyte comprising the steps of: (a) providing a carrier having a plurality of predetermined regions to each of which different receptors selected from nucleic acids and nucleic acid analogs are immobilized, wherein in one or more of the predetermined regions the receptors are at least partially absent in the absence of an analyte specifically capable of binding thereto (b) contacting the support with an analyte-containing sample, and (c) determining the analytes via their binding to the receptors immobilized on the support, wherein the binding of an analyte to a receptor capable of binding specifically with it proves the dissolution of the receptor Absence of the analyte present secondary structure includes. In an eleventh aspect, the invention relates to a method for the determination of
Analyten, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga immobilisiert sind; wobei jeder einzelne Rezeptor mindestens einen Hybridisierungsbereich umfasst, an den ein Analyt spezifisch hybridisieren kann; (b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe; (c) Durchführen einer Primerverlängerungsreaktion; wobei der Analyt als Primer fungiert; wobei in der Primerverlängerungsreaktion Bausteine eingebaut werden, die eine oder mehrere signalgebende Gruppen und/oder ein oder mehrere Haptene tragen; und (d) Bestimmung des Analyten über den Einbau signalgruppenhaltiger oder haptenhaltiger Bausteine. In einem zwölften Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bestimmung von Analyten, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga immobilisiert sind; wobei jeder einzelne Rezeptor mindestens einen Hybridisierungsbereich umfasst, an den ein Analyt spezifisch hybridisieren kann; (b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe; wobei die Analyten in der Probe vor, während oder nach dem Inkontaktbringen mit einer oder mehreren signalgebenden Gruppen und/oder mit einem oder mehreren Haptenen verknüpft worden sind; (c) Bestimmung des Analyten über die Detektion der signalgebenden Gruppe(n) oder des Haptens/ der Haptene im Analyten. In einem dreizehnten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zurAn analyte comprising the steps of: (a) providing a support having a plurality of predetermined regions to each of which different receptors are immobilized selected from nucleic acids and nucleic acid analogs; wherein each individual receptor comprises at least one hybridization region to which an analyte can specifically hybridize; (b) contacting the carrier with a sample containing analyte; (c) performing a primer extension reaction; wherein the analyte acts as a primer; wherein in the primer extension reaction, building blocks are incorporated which carry one or more signaling groups and / or one or more haptens; and (d) determining the analyte via the incorporation of signal group-containing or hapten-containing building blocks. In a twelfth aspect, the invention relates to a method for the determination of analytes, comprising the steps of: (a) providing a carrier having a plurality of predetermined regions, on each of which different receptors are immobilized selected from nucleic acids and nucleic acid analogs; wherein each individual receptor comprises at least one hybridization region to which an analyte can specifically hybridize; (b) contacting the carrier with a sample containing analyte; wherein the analytes in the sample have been linked before, during or after contacting with one or more signaling groups and / or with one or more haptens; (c) Determination of the analyte via the detection of the signaling group (s) or the hapten / haptene in the analyte. In a thirteenth aspect, the invention relates to a method for
Amplifikation von Analyten, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga immobilisiert sind; wobei jeder einzelne Rezeptor an seinem 3 '-Ende einen Hybridisierungsbereich aufweist, an den ein Analyt spezifisch
hybridisieren kann; (b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe; und (c) Durchfuhren einer Primerverlängerungsreaktion; wobei die unterschiedlichen Rezeptoren als Primer fungieren, wodurch eine doppelsträngige Nukleinsäure erhalten wird, die aus Analyt und verlängertem Rezeptor besteht. In bevorzugten Ausführungsformen dieses dreizehnten Aspekts enthält das Verfahren zusätzlich folgende Verfahrenschritte, die sich an Schritt (c) anschließen: (d) Thermische Denaturierung der in Schritt (c) erhaltenen doppelsträngigen Nukleinsäure; (e) Einstellung von Reaktionsbedingungen, die eine Hybridisierung von Analyt und nicht-verlängerten Rezeptoren erlauben; (f) Durchfuhren einer Primerverlängerungsreaktion, wobei die unterschiedlichen nicht- verlängerten Rezeptoren als Primer fungieren; und (g) optional Wiederholung der Schritte (d) bisAmplification of analytes, comprising the steps of: (a) providing a support having a plurality of predetermined regions to each of which different receptors are immobilized selected from nucleic acids and nucleic acid analogs; each individual receptor having at its 3 'end a hybridization region to which an analyte is specific can hybridize; (b) contacting the carrier with a sample containing analyte; and (c) performing a primer extension reaction; wherein the different receptors function as primers, thereby obtaining a double-stranded nucleic acid consisting of analyte and extended receptor. In preferred embodiments of this thirteenth aspect, the method additionally comprises the following method steps which follow step (c): (d) thermal denaturation of the double-stranded nucleic acid obtained in step (c); (e) adjustment of reaction conditions allowing hybridization of analyte and non-extended receptors; (f) performing a primer extension reaction, wherein the different non-extended receptors function as primers; and (g) optionally repeating steps (d) to
(f)-(F) -
In bevorzugten Ausführungsformen werden in der Primerverlängerungsreaktion (c) und/oder in der Primerverlängerungsreaktion (f) Bausteine eingebaut werden, die eine oder mehrere signalgebende Gruppen und/oder ein oder mehrere Haptene tragen. In weiter bevorzugten Ausführungsformen enthält das Verfahren zusätzlich folgendenIn preferred embodiments, in the primer extension reaction (c) and / or in the primer extension reaction (f) building blocks will be incorporated which carry one or more signaling groups and / or one or more haptens. In further preferred embodiments, the method additionally includes the following
Verfahrensschritt, der während eines der Schritte (c) bis (g) oder nach einem der Schritte (c) bis (g) durchgeführt wird: Bestimmung des Analyten über den Einbau der signalgruppenhaltigen und/oder haptenhaltigen Bausteine.Process step which is carried out during one of the steps (c) to (g) or after one of the steps (c) to (g): Determination of the analyte via the incorporation of the signal group-containing and / or hapten-containing building blocks.
In bevorzugten Ausführungsformen des dreizehnten Aspekts ist der Analyt eine RNA; wobei die unterschiedlichen Rezeptoren zusätzlich einen Bereich mit einer Primersequenz 1 aufweisen, die 5' zum Hybridisierungsbereich positioniert ist, und wobei das Verfahren zusätzlich folgende Verfahrenschritte aufweist, die sich an Schritt (c) anschließen: (d) Ligation einer Nukleinsäurekassette, die einen Bereich mit einer Primersequenz 2 aufweist, an die in Schritt (c) erhaltene doppelsträngige Nukleinsäure; (e) Durchführen einer Zweitstrangsynthese; (f) Durchführen mindestens eines Zyklus einer Amplifikationsreaktion unter Zugabe eines Primers mit der Primersequenz 1 und eines Primers mit der Primersequenz 2.In preferred embodiments of the thirteenth aspect, the analyte is an RNA; wherein the different receptors additionally have a region with a primer sequence 1 positioned 5 'to the hybridization region, and wherein the process additionally comprises the following steps following step (c): (d) ligation of a nucleic acid cassette having a region a primer sequence 2, to the double-stranded nucleic acid obtained in step (c); (e) performing a second strand synthesis; (f) performing at least one cycle of an amplification reaction with the addition of a primer with primer sequence 1 and a primer with primer sequence 2.
In bevorzugten Ausführungsformen werden in Schritt (e) und/oder in Schritt (f) Bausteine eingebaut werden, die eine oder mehrere signalgebende Gruppen und/oder ein oder mehrere Haptene tragen. In weiter bevorzugten Ausführungsformen enthält das Verfahren zusätzlich folgendenIn preferred embodiments, building blocks which carry one or more signaling groups and / or one or more haptens will be incorporated in step (e) and / or in step (f). In further preferred embodiments, the method additionally includes the following
Verfahrensschritt, der während eines der Schritte (e) bis (f) oder nach einem der Schritte (e) bis (f) durchgeführt wird: Bestimmung des Analyten über den Einbau der signalgruppenhaltigen und/oder haptenhaltigen Bausteine.Process step which is carried out during one of the steps (e) to (f) or after one of the steps (e) to (f): Determination of the analyte via the incorporation of the signal group-containing and / or hapten-containing components.
In einem vierzehnten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur
Herstellung eines Trägers für die Nukleinsäureanalytik und/oder -Synthese, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Trägerkörpers und (b) schrittweises Aufbauen eines Arrays von mehreren verschiedenen Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga auf dem Träger durch orts- oder/und zeitspezifisches Immobilisieren von Rezeptorbausteinen an jeweils vorbestimmten Positionen auf dem oder im Trägerkörper, wobei in mindestens einem Synthesebereich durch orthogonale chemische Verfahren mindestens 2 unterschiedliche Rezeptoren synthetisiert werden.In a fourteenth aspect, the invention relates to a method for Preparation of a carrier for nucleic acid analysis and / or synthesis, comprising the steps: (a) providing a carrier body and (b) constructing an array of several different receptors selected from nucleic acids and nucleic acid analogs on the carrier by site-specific or / and time-specific immobilization stepwise of receptor building blocks at respectively predetermined positions on or in the support body, wherein at least 2 different receptors are synthesized in at least one synthesis area by orthogonal chemical processes.
In einem fünfzehnten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Reagenzienkit, umfassend einen Trägerkörper und mindestens zwei unterschiedliche Sätze von Bausteinen für die Synthese von Rezeptoren auf dem Trägerkörper.In a fifteenth aspect, the invention relates to a reagent kit comprising a carrier body and at least two different sets of building blocks for the synthesis of receptors on the carrier body.
In einem sechzehnten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf die Verwendung der molekularbiologische Prozessanlage gemäß dem ersten Aspekt zum Nachweis oder/und zur Isolierung von Nukleinsäuren; zur Sequenzierung; zur Punktmutationsanalyse; zur Analyse von Genomen, Genomvariationen, Genominstabilitäten und/oder Chromosomen; zur Typisierung von Pathogenen; zur Genotypisierung; zur Genexpressions- oder Transkriptomanalyse; zur Analyse von cDNA-Bibliotheken; zur Herstellung substratgebundener cDNA-Bibliotheken oder cRNA-Bibliotheken; zur Erzeugung von Arrays für die Herstellung synthetischer Nukleinsäuren, Nukleinsäuredoppelstränge und/oder synthetischer Gene; zur Herstellung von Arrays von Primern, Ultra-Longmers, Sonden für homogene Assays, Molecular Beacons und/oder Haarnadel-Sonden; zur Erzeugung von Arrays für die Herstellung, Optimierung und/oder Entwicklung von Antisense-Molekülen; zur weiteren Prozessierung der Analyten oder Zielmoleküle für die logisch nachgeordnete Analyse auf dem Mikroarray, in einem Sequenzierverfahren, in einem Amplifikationsverfahren oder für die Analyse in einer Gelelektrophorese; zur Herstellung von prozessierten RNA-Bibliotheken für nachfolgende Schritte, ausgewählt aus: Translation in vitro oder in vivo oder Modulation der Genexpression durch iRNA oder RNAi; zur Herstellung von Sequenzen, die anschließend mittels Vektoren oder in Plasmiden oder direkt kloniert werden; und/oder zur Ligation von Nukleinsäuren in Vektoren oder Plasmide.In a sixteenth aspect, the invention relates to the use of the molecular biological process plant according to the first aspect for the detection or / and the isolation of nucleic acids; for sequencing; for point mutation analysis; for the analysis of genomes, genome variations, genome instabilities and / or chromosomes; for the typing of pathogens; for genotyping; for gene expression or transcriptome analysis; for the analysis of cDNA libraries; for the preparation of substrate-bound cDNA libraries or cRNA libraries; for generating arrays for the production of synthetic nucleic acids, nucleic acid double strands and / or synthetic genes; for the preparation of arrays of primers, ultra-longmers, probes for homogeneous assays, molecular beacons and / or hairpin probes; for generating arrays for the production, optimization and / or development of antisense molecules; for further processing of the analytes or target molecules for the logically subordinate analysis on the microarray, in a sequencing method, in an amplification method or for analysis in a gel electrophoresis; for preparing processed RNA libraries for subsequent steps selected from: translation in vitro or in vivo or modulation of gene expression by iRNA or RNAi; for the production of sequences which are subsequently cloned by means of vectors or in plasmids or directly; and / or for the ligation of nucleic acids into vectors or plasmids.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorgenannten Verfahren und Verwendungen ist der Analyt oder Nukleinsäureanalyt oder die nachzuweisende und/oder zu isolierende Nukleinsäure ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: eine microRNA, eine zu einer microRNA korrespondierende cDNA, eine pathogen wirkende Nukleinsäure, und eine aus einem Pathogen stammende Nukleinsäure.In preferred embodiments of the aforementioned methods and uses, the analyte or nucleic acid analyte or the nucleic acid to be detected and / or to be isolated is selected from the group consisting of: a microRNA, a cDNA corresponding to a microRNA, a nucleic acid which acts pathogenically, and a pathogen Nucleic acid.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform für den spezifischen Nachweis von
Nukleinsäuren bzw. Poly-Nukleotiden beschrieben. In dieser Ausführungsform wird die Spezifität der Hybridisierung mit der Parallelität eines Mikroarrays und der Amplifikation wie in einer konventionellen PCR Amplifikation in dem erfindungsgemäßen Verfahren integriert.In the following, a preferred embodiment for the specific detection of Nucleic acids or poly-nucleotides described. In this embodiment, the specificity of the hybridization is integrated with the parallelism of a microarray and the amplification as in a conventional PCR amplification in the method according to the invention.
Als miniaturisierter Reaktionsträger wird eine Mikrostruktur mit dreidimensionalen Mikrokavitäten eingesetzt, die jeweils über mindestens einen Eingang und einen Ausgang verfügen. Vorzugsweise ist der Innenraum so gestaltet, dass er wie ein einziger langer Kanal von einem Eingang zu einem Ausgang fuhrt und somit eine schnelle druckgetriebene Befüllung mitAs a miniaturized reaction carrier, a microstructure with three-dimensional microcavities is used, each of which has at least one input and one output. Preferably, the interior space is designed such that it leads from an entrance to an exit, like a single long channel, and thus a fast pressure-driven filling
Reagenzien und sonstigen Medien erlaubt.Reagents and other media allowed.
Dieser Reaktionsträger wird zunächst durch eine in-situ-Synthese z.B. mit Oligonukleotiden, Oligonukleotidderivaten oder Oligonukleotidanaloga bestückt, die in Reihen und Spalten separater Reaktionsfelder angeordnet sind. Die einzelnen Reaktionsfelder haben vorzugsweise Ausmaße von kleiner als 100 x 100 μm.This reaction support is first prepared by in situ synthesis, e.g. equipped with oligonucleotides, oligonucleotide derivatives or Oligonukleotidanaloga, which are arranged in rows and columns of separate reaction fields. The individual reaction fields preferably have dimensions of less than 100 × 100 μm.
Damit stehen in dem Reaktionsträger funktionelle biologische Moleküle zur Verfügung, die über eine spezifische Hybridisierung nun selektiv Nukleinsäuren binden können, die in einer zugegebenen Probe enthalten sind. Diese Zielmoleküle werden demnach in Abhängigkeit der Sequenzen gebunden, die zuvor während der m-s/Yw-Synthese erzeugt wurden. Im nächsten Schritt werden alle nicht in gewünschtem Maße gebundenen Nukleinsäuren weggewaschen. Es bleiben nur die spezifisch gebundenen Nukleinsäuren zurück. Allerdings kann die Menge dieser gebundenen Nukleinsäuren unterhalb der Nachweisgrenze eines dem Stand der Technik entsprechenden konfokalen, z.B. auf einem scannenden Laser basierenden, oder parallelen, z.B. auf CCD Chips basierenden, optischen Detektors liegen.Functional biological molecules are thus available in the reaction support, which can now selectively bind nucleic acids contained in an added sample via specific hybridization. These target molecules are thus bound depending on the sequences previously generated during the m-s / Yw synthesis. In the next step, all nucleic acids not bound to the desired extent are washed away. Only the specifically bound nucleic acids remain. However, the amount of these bound nucleic acids may be below the detection limit of a prior art confocal, e.g. on a scanning laser based, or parallel, e.g. based on CCD chips, optical detector lie.
Nun erfolgt mit dem gebundenen Material eine unspezifische oder spezifische enzymatische Amplifikation, die nicht auf zusätzliche spezifische Primer angewiesen ist. Dazu sind dem Fachmann zahlreiche Verfahren bekannt. Für eine Amplifikation über PCR kann an die gebundenen Nukleinsäuren eine Kassette ligiert werden, die die notwendigen Primersequenzen enthält. Dazu kann es hilfreich sein, die Probe zunächst mit einer oder mehreren Restriktionsnukleasen zu behandeln, so dass die dem Fachmann bekannten spezifischen Sequenzen an den Schnittstellen entstehen. Alternativ kann auf kommerzielle Kits, wie z.B. den „GenomePlex Whole Genome Amplifikation WGA Kit", erhältlich von Rubicon Genomics, USA, bzw. von Sigma-Aldrich, USA, zurückgegriffen werden.Now with the bound material, a nonspecific or specific enzymatic amplification, which is not dependent on additional specific primers. Numerous methods are known to the person skilled in the art. For amplification via PCR, a cassette containing the necessary primer sequences can be ligated to the bound nucleic acids. For this purpose, it may be helpful to first treat the sample with one or more restriction nucleases so that the specific sequences known to the person skilled in the art are produced at the interfaces. Alternatively, commercial kits, such as e.g. recourse to the "GenomePlex Whole Genome Amplification WGA Kit" available from Rubicon Genomics, USA, or from Sigma-Aldrich, USA.
Nach dem Amplifikations-Schritt lässt man das Nukleinsäure-Material erneut mit den Oligonukleotiden des Arrays hybridisieren. Eventuell ist es hilfreich, noch weitere Zwischenschritte, wie einen Heizschritt zur Trennung der Stränge, durchzuführen. Wichtig ist in allen Schritten, dass jeweils vor einem Wasch-Schritt bzw. nach einem Prozessierungsschritt die
Gelegenheit besteht, dass diejenigen Zielmoleküle, die weiter bearbeitet werden sollen, an der Matrix aus funktionalen biologischen Molekülen, also in dieser Ausführungsform an dem Mikroarray aus Oligonukleotiden, binden können. Nach dem Hybridisier-Schritt wird erneut gewaschen und damit alles unspezifische Material ganz oder teilweise entfernt. Jetzt kann die Detektion durchgeführt werden, die wie oben beschrieben mit verschiedenen dem Fachmann für die Anwendung von Mikroarrays bekannten Verfahren und Vorrichtungen erfolgen kann. Beispiele hierfür sind Mikroskope, optische Scanner, Laser- Scanner, konfokale Scanner, oder parallele, z.B. auf CCD-Chips basierende, optische Detektoren, die mehr als eine Messstelle auf einmal aufnehmen, oder sogar den ganzen Reaktionsträger im Ganzen aufnehmen können, und Mischformen der oben beschriebenen Vorrichtungen, wie z.B. Scanner mit CCD-Zeilen. Beispiele für Signale, die bei der Analyse der Reaktionsergebnisse auf dem Reaktionsträger bzw. Array genutzt werden können, sind unter anderem die folgenden in der Fachwelt gut bekannten Signale:After the amplification step, the nucleic acid material is allowed to hybridize again with the oligonucleotides of the array. It may be helpful to perform additional intermediate steps, such as a heating step to separate the strands. It is important in all steps that before each washing step or after a processing step Opportunity exists that those target molecules, which are to be further processed, can bind to the matrix of functional biological molecules, in this embodiment, to the microarray of oligonucleotides. After the hybridization step, the material is washed again and all or some of the unspecific material is removed. Now, the detection can be carried out, which can be carried out as described above with various methods and apparatuses known to the person skilled in the art for the use of microarrays. Examples include microscopes, optical scanners, laser scanners, confocal scanners, or parallel, for example, based on CCD chips, optical detectors that can record more than one measuring point at a time, or even record the entire reaction carrier in the whole, and mixed forms of devices described above, such as scanners with CCD lines. Examples of signals which can be used in the analysis of the reaction results on the reaction support or array include the following signals well known in the art:
> Optische Signale o Fluoreszenz (organische und anorganische Fluorophore, fluoreszente Biomoleküle), o Lichtstreuung (z.B. Goldpartikel in nm-Dimensionen), o Chemilumineszenz, o Biolumineszenz; > Elektrische Signale o Stromfluss, o Redoxreaktionen.> Optical signals o fluorescence (organic and inorganic fluorophores, fluorescent biomolecules), o light scattering (eg gold particles in nm dimensions), o chemiluminescence, o bioluminescence; > Electrical signals o current flow, o redox reactions.
Alternativ zur Detektion kann zunächst durch Wiederholen der Wasch-Trenn-Schritte eine weitere Anreicherung des Ergebnis-relevanten Materials erreicht werden, außerdem kann das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert werden.As an alternative to detection, a further enrichment of the result-relevant material can first be achieved by repeating the wash-separation steps, in addition the signal-to-noise ratio can be improved.
Ein wichtiges technisches Merkmal der dafür notwendigen Anlage ist ein geeigneterAn important technical feature of the necessary equipment is a suitable
Fluid- bzw. Reagenzien Wechsel. Insbesondere Anlagen mit der Möglichkeit zum schnellen und automatisierbaren Wechsel der Fluide bzw. Reagenzien sind daher Gegenstand dieser Erfindung. Solche Anlagen sind in WO 00/13017 und in WO 00/13018 beschrieben, auf die hier alsFluid or reagent changes. In particular, systems with the possibility of rapid and automatable change of fluids or reagents are therefore the subject of this invention. Such systems are described in WO 00/13017 and in WO 00/13018, incorporated herein by reference
Referenz verwiesen wird.
6 Bevorzugte AusführungsformenReference is made. 6 Preferred embodiments
Die vorliegende Erfindung wird jetzt weiter genauer beschrieben. In den folgenden Absätzen werden unterschiedliche Aspekte, Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung in größerem Detail beschrieben. Jeder so definierte Aspekt, jedes Merkmal, jede Ausführungsform kann mit jedem anderen Aspekt, jedem anderen Merkmal oder jeder anderen Ausführungsform kombiniert werden, sofern nicht ausdrücklich Gegenteiliges angegeben ist. Dies schließt auch multiple Kombinationen von Aspekten, Merkmalen oder Ausführungsformen ein. Insbesondere kann jedes bevorzugte Merkmal oder jede bevorzugte Ausführungsform mit einer oder mehreren bevorzugten Merkmalen oder bevorzugten Ausführungsformen kombiniert werden.The present invention will now be described in more detail. In the following paragraphs, various aspects, features, and embodiments of the invention will be described in greater detail. Each aspect, feature, or embodiment so defined may be combined with any other aspect, feature, or embodiment, unless expressly stated to the contrary. This also includes multiple combinations of aspects, features or embodiments. In particular, any preferred feature or embodiment may be combined with one or more preferred features or preferred embodiments.
6.1 Primer in DNA-Processor6.1 primer in DNA processor
Es werden Oligonukleotide, Oligonukleotidderivate oder Oligonukleotidanaloga im Reaktionsträger in der Weise synthetisiert, dass ihr 3 '-OH-Ende für eine Polymerase verlängerbar ist. Dies kann z.B. durch Verknüpfung des 5 '-Endes an den Reaktionsträger mit frei bleibendem 3'-OH-Ende realisiert werden. An die angeknüpften Moleküle werden durch eine Polymerase kopierbare, zu analysierende Nukleinsäuren hybridisiert und das 3'-OH Ende der Sonden durch die Polymerase durch Verknüpfung von Nukleotiden oder Nukleotidanaloga verlängert. Während der Verlängerung kann, muss aber nicht, eine Kopie des hybridisierten Moleküls erstellt werden. Insbesondere kann der neugebildete Strang einer anderen Verbindungsklasse angehören als der hybridisierte Strang, so können zum Beispiel Nukleinsäurederivate und -analoga in den Strang eingebaut werden oder angeknüpft werden. Der Reaktionsverlauf kann optional optisch verfolgt werden, z.B. durch Einbau modifizierter Nukleotide oder Anwesenheit zusätzlicher signalgebender Substanzen, die z.B. mit DNA wechselwirken. Alternativ kann auch das hybridisierte, nicht im Reaktionsträger hergestellte Molekül als Primer fungieren und verlängert werden. Auch hier kann, muss aber nicht, eine Kopie des im Reaktionsträger hergestellten Moleküls erstellt werden. Ein Beispiel für eine Verlängerung des als Primer fungierenden Moleküls, bei dem keine Kopie des hybridisierten Stranges erstellt wird, sind templatunabhängige Verlängerungsreaktionen wie sie dem Fachmann bekannt sind. Dies kann z.B. die Herstellung von Poly-A-schwänzen sein, die durch bestimmte Polymerasen gebildet werden.Oligonucleotides, oligonucleotide derivatives or oligonucleotide analogs are synthesized in the reaction support such that their 3 'OH end is extendible to a polymerase. This can e.g. can be realized by linking the 5 'end to the reaction carrier with free 3'-OH end. The nucleic acid molecules to be copied by a polymerase are hybridized to the attached molecules and the 3'-OH end of the probes is extended by the polymerase by linking nucleotides or nucleotide analogues. During extension, but not necessarily, a copy of the hybridized molecule can be made. In particular, the newly formed strand may belong to a different class of compound than the hybridized strand, for example, nucleic acid derivatives and analogues may be incorporated into the strand or attached. The course of the reaction can optionally be monitored optically, e.g. by incorporation of modified nucleotides or presence of additional signaling substances, e.g. interact with DNA. Alternatively, the hybridized, non-reaction-carrier molecule can function as a primer and be extended. Again, but not necessarily, a copy of the molecule made in the reaction support can be made. An example of extension of the primer molecule, in which no copy of the hybridized strand is made, are template-independent extension reactions, as known to those skilled in the art. This can e.g. the production of poly-A tails formed by certain polymerases.
6.2 Integrierte Probenvorbereitung6.2 Integrated sample preparation
Methoden zur Aufbereitung oder Vorbereitung einer analytischen Methode können auch direkt im Reaktionsträger durchgeführt werden. Hierzu gehören zum Beispiel die Entfernung
oder Umwandlung störender Begleitstoffe (etwa durch enzymatische Prozessierung), Anknüpfung von signalgebenden Gruppen oder ihren Vorläuferstufen und Anknüpfung bestimmter Gruppen zur Bindung von Liganden wie Proteinen, Nukleinsäuren, signalgebenden Molekülen oder ihren Vorläuferstufen. Diese Anknüpfungen können durch dem Fachmann bekannte chemische oder z.B. auch enzymatische Methoden erfolgen. Der Reaktionsträger kann weiterhin zur Aufreinigung von Probenmolekülen verwendet werden, die auf der Affinität der gewünschten Probenmoleküle aus dem biologischen Probengemisch zu auf der Oberfläche des Reaktionsträgers befindlichen Sondenmolekülen beruht. Diese der Affinitätschromatographie ähnliche Methode beruht auf der Bindung der Probenmoleküle an die genannten Sondenmoleküle und einem oder mehreren Waschschritten, bei denen auch die Temperatur variiert werden kann.Methods for the preparation or preparation of an analytical method can also be carried out directly in the reaction medium. These include, for example, the distance or conversion of interfering impurities (such as by enzymatic processing), attachment of signaling groups or their precursors and attachment of certain groups to bind ligands such as proteins, nucleic acids, signaling molecules or their precursors. These linkages can be carried out by chemical or, for example, also enzymatic methods known to the person skilled in the art. The reaction carrier can furthermore be used for the purification of sample molecules, which is based on the affinity of the desired sample molecules from the biological sample mixture to probe molecules located on the surface of the reaction carrier. This affinity chromatography-like method is based on the binding of the sample molecules to said probe molecules and one or more washing steps, in which the temperature can be varied.
6.3 Verfahren zur Erzeugung von Volllängen-cDNA-Bibliotheken an fester Phase6.3 Method for Generation of Full Length cDNA Libraries on Solid Phase
Hierzu werden „ capture oligos " im Reaktionsträger so synthetisiert, dass sie mit ihrer Sequenz für alle oder eine Auswahl von Genen für einen Bereich ,downstream ' vom poly-A Schwanz spezifisch sind. Dabei kann es vorteilhaft sein, diesen Bereich in der Nähe des 5'- Endes zu wählen. Damit werden aus einer mRNA-Präparation oder einer bereits weiter prozessierten mRNA-Population (z.B. einer cDNA-Bibliothek) entsprechende Transkripte spezifisch festphasengestützt extrahiert. Als nächsten Schritt können bei Synthese von capture oligos mit distalem 3 '-Ende komplementäre Stränge zu dem isolierten Strang synthetisiert werden. Dies erfolgt unter Zugabe entsprechender dem Fachmann bekannter Enzyme und sonstiger Einsatzstoffe.For this purpose, "capture oligos" in the reaction support are synthesized in such a way that they are specific with their sequence for all or a selection of genes for a region "downstream" of the poly-A tail, whereby it may be advantageous to close this region in the vicinity of the 5 In this way, transcripts derived from an mRNA preparation or an already processed mRNA population (eg a cDNA library) are extracted specifically with solid-phase support. "The next step may be complementary in the synthesis of capture oligos with distal 3 'end Strands are synthesized to the isolated strand This is done with the addition of appropriate known in the art enzymes and other starting materials.
In einem weiteren Schritt können nun Abschriften des kovalent mit der Festphase verknüpften Stranges gemacht werden. Alle Volllängen-Sequenzen (ab der Bindungsstelle der capture oligos) haben definitionsgemäß einen poly-T-Abschnitt am distalen Ende des Stranges. Dieser kann für eine lineare Amplifikation mit entsprechenden poly-A-Primern genutzt werden. Ein Vorteil einer solchen linearen Amplifikation ist die geringe Verzerrung der Konzentrationsverhältnisse einzelner Transkripte zueinander. Alternativ können im capture oligo auch proximal zum Träger konservative Primer-Sequenzen eingefügt werden, die eine exponentielle Amplifikation der isolierten Stränge erlauben.In a further step, copies of the strand covalently linked to the solid phase can now be made. By definition, all full-length sequences (starting from the binding site of the capture oligos) have a poly-T segment at the distal end of the strand. This can be used for linear amplification with corresponding poly-A primers. An advantage of such a linear amplification is the low distortion of the concentration ratios of individual transcripts to one another. Alternatively, in the capture oligo, conservative primer sequences can also be inserted proximal to the carrier, which allow exponential amplification of the isolated strands.
6.4 Kombination von cDNA-Bibliotheken an fester Phase mit Analyse auf einem Array6.4 Combination of solid phase cDNA libraries with analysis on an array
In einer weiteren Ausführungsform werden die Isolation und Amplifikation von Transkripten oder von genomischen oder sonstigen Sequenzen, wie sie oben beschrieben sind,
mit der Analyse auf einem in situ synthetisierten Polymersonden-Array so kombiniert, dass entweder beide Arten von Oligo {capture oligo und Analyse-Oligo) in einem gemeinsamen Träger untergebracht sind oder in automatisch miteinander verbundenen Kompartimenten des Trägers. In einem Beispiel können mit 35mer capture oligos bei relativ hoher Stringenz oderIn a further embodiment, the isolation and amplification of transcripts or of genomic or other sequences as described above, combined with analysis on an in situ synthesized polymer probe array so that either both types of oligo {capture oligo and analysis oligo) are housed in a common support or in automatically interconnected compartments of the support. In one example, with 35mer capture oligos at relatively high stringency or
Temperatur Zielmoleküle isoliert und wie oben beschrieben amplifiziert werden. Im selben Reaktionsträger wurden zuvor ebenfalls deutlich kürzere Analyse-Oligos von z.B. 20 Nukleotiden Länge synthetisiert. Dem Fachmann ist ersichtlich wie durch die unterschiedliche Länge der Oligos anhand von Stringenz oder Temperatur eine serielle Abarbeitung der Prozessschritte Isolation, Amplifikation und Analyse durchgeführt werden können.Temperature target molecules isolated and amplified as described above. In the same reaction carrier previously also significantly shorter analysis oligos of e.g. Synthesized 20 nucleotides in length. The skilled worker can see how serial processing of the process steps of isolation, amplification and analysis can be carried out by means of the different length of the oligos on the basis of stringency or temperature.
Kompartimente, die einzelne Prozessschritte seriell beinhalten, können durch hydrophobe Barrieren, Ventile, getrennte Reaktionskammern oder ähnliche technische Details des Reaktionsträgers, die aus der Mikroreaktortechnik bekannt sind, geschaffen werden.Compartments containing individual process steps in series can be created by hydrophobic barriers, valves, separate reaction chambers or similar engineering details of the reaction support known from microreactor technology.
6.5 „Sequencing by synthesis" in der erfindungsgemäßen Prozessanlage6.5 "Sequencing by synthesis" in the process plant according to the invention
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer weiteren Ausführungsform dazu verwendet werden, ein „sequencing by synthesis" durchzuführen. Dabei wird zunächst im Reaktionsträger ein Mikroarray aus Oligonukleotiden, Oligonukleotidderivaten oder Oligo- nukleotidanaloga (Sonden) hergestellt und mit einer zu analysierenden Nukleinsäureprobe hybridisiert. Die im Mikroarray hergestellten Moleküle enthalten freie 3'-OH-Enden, so dass - wie dem Fachmann bekannt - eine Verlängerung der Enden durch eine Polymerase möglich wird. Es sind mehrere Verfahren bekannt, die eine Anlagerung nur eines Nukleotids und die Verbindung des Phosphat-Rückgrates erlauben, da die Nukleotide noch eine blockierende Gruppe enthalten. Diese blockierende Gruppe kann innerhalb des miniaturisierten Reaktions- trägers abgespalten werden, so dass ein durch eine Polymerase verlängerbares Nukleotid entsteht. Zur Detektion kann das Nukleotid z.B. signalgebende Gruppen oder deren Precursor enthalten, die ebenfalls innerhalb des miniaturisierten Reaktionsträgers abgespalten werden können (etwa Fluorophore). Alternativ kann die abspaltbare blockierende Gruppe von einem mit einer signalgebenden Gruppe oder ihrem Precursor verknüpften Liganden (z.B. fluoreszenzmarkierter Antikörper) gebunden werden. Durch Zyklen aus Nukleotidaddition, optional Ligandbindung, Detektion, Abspaltung der blockierenden Gruppe (und optional der signalgebenden Gruppe) und neuerlicher Nukleotidaddition können so Sequenzen gebundener zu analysierender Nukleinsäuremoleküle aufgeklärt werden.
Die erfindungsgemäße Prozessanlange bietet für diese Technologie erhebliche Vorteile im Vergleich zu dem Fachmann bekannten Testformaten.In a further embodiment, the method according to the invention can be used to carry out a "sequencing by synthesis." First, a microarray of oligonucleotides, oligonucleotide derivatives or oligonucleotide analogs (probes) is prepared in the reaction support and hybridized with a nucleic acid sample to be analyzed molecules produced contain free 3'-OH ends, so that - as known in the art - an extension of the ends by a polymerase is possible., Several methods are known which allow attachment of only one nucleotide and the compound of the phosphate backbone, This blocking group can be cleaved off within the miniaturized reaction carrier so that a nucleotide which can be extended by a polymerase is formed. For detection, the nucleotide can contain, for example, signal-emitting groups or their precursors can be split off within the miniaturized reaction medium (such as fluorophores). Alternatively, the cleavable blocking group may be bound by a ligand linked to a signaling group or its precursor (eg, fluorescently labeled antibody). By cycles of nucleotide addition, optionally ligand binding, detection, cleavage of the blocking group (and optionally the signaling group) and renewed nucleotide addition, sequences of bound nucleic acid molecules to be analyzed can be elucidated. The process according to the invention offers considerable advantages for this technology in comparison to test formats known to those skilled in the art.
In z.B. den von 454 Life Sciences, Helicos oder Solexa entwickelten Testsystemen die unter 2.3 genauer beschrieben wurden (Bennett ST, Barnes C, Cox A, Davies L, Brown C. Pharmacogenomics. 2005 Jun;6(4):373-82. Warren RL, Sutton GG, Jones SJ, Holt RA. Bioinformatics. 2006 Dec 8; [Epub ahead of print]. Bentley DR. Curr Opin Genet Dev. 2006 Dec; 16(6):545-52. Bennett S. Pharmacogenomics. 2004 Jun;5(4):433-8. Margulies, M. Eghold, M. et al. Nature. 2005 Sep 15; 437(7057):326-7. Patrick Ng, Jack J.S. Tan, Hong Sain Ooi, Yen Ling Lee, Kuo Ping Chiu, Melissa J. Fullwood, Kandhadayar G. Srinivasan, Clotilde Perbost, Lei Du, Wing-Kin Sung, Chia-Lin Wei and Yijun Ruan Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 34, No. 12. Robert Pinard, Alex de Winter, Gary J Sarkis, Mark B Gerstein, Karrie R Tartaro, Ramona N Plant, Michael Egholm, Jonathan M Rothberg, and John H Leamon BMC Genomics 2006, 7:216. John H. Leamon, Michael S. Braverman and Jonathan M. Rothberg , Gene Therapy and Regulation, Vol. 3, No. 1 (2007) 15-31) werden die zu untersuchenden Genabschnitte ohne Information über ihre Identität auf Oberflächen immoblisiert um sie anschließend nach der beschriebenen Methode zu sequenzieren. Die Information über längere Genabschnitte wird dann durch Assemblierung der kleinen Einzelinformation bioinformatisch erhalten. Dies hat zur Folge, dass immer das gesamte Genom analysiert werden muss und die Zahl und Länge der einzelnen sequenzierten Bereiche eine kritische Größe überschreiten müssen, um eine Assemblierung durch genug Überlappung der Abschnitte überhaupt zu ermöglichen. In vielen Fällen besteht jedoch nur für die Sequenz eines Teiles des Genoms Interesse. In der erfindungsgemäßen Prozessanlage ist es möglich, gewünschte Genabschnitte durch sequenzspezifische Immobilisierung (Hybridisierung des gewünschten Abschnittes an eine dafür spezifische, im Reaktionsträger der erfindungsgemäßen Prozessanlage synthetisierte Sonde) gezielt für die Sequenzierung auszuwählen. So können durch Wahl der Anzahl und Sequenz der im Reaktionsträger der erfindungsgemäßen Prozessanlage synthetisierten und bereitgestellten Sonden die Zahl und Identität der gewünschten Genabschnitte der Probe festgelegt werden. Es existiert dabei keine Limitierung in Bezug auf die Zahl, Art oder Mindestlänge der sequenzierten Abschnitte, da keine anschließende bioinformatische Assemblierung erfolgen muss. In dieser bevorzugten Ausführungsform kann die erfindungsgemäße Prozessanlage insbesondere für eine mehrschrittige Bearbeitung und Analyse von Probenmaterial in folgender Weise verwendet werden: Durch die Bereitstellung von Sonden im Reaktionsträger der erfindungsgemäßen Prozessanlage, die für zu analysierende Genabschnitte spezifisch sind, können zunächst gewünschte Genabschnitte durch Bindung an die Sonden ausgewählt werden.
Es kann optional ein Waschschritt erfolgen, um unerwünschtes Probenmaterial aus dem Reaktionsträger zu entfernen. Es kann dann eine Amplifikation des Probenmateriales erfolgen, die bereits Information über die Sequenz der gebundenen liefern kann. Dem Fachmann sind dafür zahlreiche Methoden bekannt. Es kann dann optional eine Sequenzierung der gebundenen und optional amplifizierten Probenmoleküle nach der beschriebenen Methode erfolgen. Eine solche sequenzielle Bearbeitung und Analyse von Probenmaterial wird durch die Bauart des Reaktionsträgers als Mikrofluidikeinheit erheblich vereinfacht und bietet damit eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik.In, for example, the test systems developed by 454 Life Sciences, Helicos or Solexa, which were described in more detail under 2.3 (Bennett ST, Barnes C, Cox A, Davies L, Brown C. Pharmacogenomics, 2005 Jun; 6 (4): 373-82 RL, Sutton GG, Jones SJ, Holt RA, Bioinformatics, 2006 Dec 8; Bentley DR. Curr Opin Genet Dev. 2006 Dec; 16 (6): 545-52, Bennett S. Pharmacogenomics, 2004 Jun; 5 (4): 433-8 Margulies, M. Eghold, M. et al., Nature, 2005 Sep 15; 437 (7057): 326-7, Patrick Ng, Jack JS Tan, Hong Sain Ooi, Yen Ling Lee, Kuo Ping Chiu, Melissa J. Fullwood, Kandhadayar G. Srinivasan, Clotilde Perbost, Lei Du, Wing-Kin Sung, Chia-Lin Wei and Yijun Ruan Nucleic Acids Research, 2006, Vol. 34, No. 12. Robert Pinard , Alex de Winter, Gary J Sarkis, Mark B Gerstein, Karrie R Tartaro, Ramona N Plant, Michael Egholm, Jonathan M Rothberg, and John H Leamon BMC Genomics 2006, 7: 216 John H. Leamon, Michael S. Braverman and Jonathan M. Rothberg, Gene Therapy and Regulation, Vol. 3, No. 1 (200 7) 15-31), the gene sections to be examined are immobilized on surfaces without information about their identity in order to subsequently sequence them according to the method described. The information on longer gene segments is then obtained bioinformatic by assembling the small single information. As a result, the entire genome must always be analyzed and the number and length of the individual sequenced regions must exceed a critical size in order to allow assembly by sufficiently overlapping the sections at all. In many cases, however, interest only exists for the sequence of part of the genome. In the process plant according to the invention, it is possible to selectively select desired gene segments by sequence-specific immobilization (hybridization of the desired segment to a specific probe synthesized in the reaction support of the process plant according to the invention) for sequencing. Thus, by selecting the number and sequence of the probes synthesized and provided in the reaction support of the process plant according to the invention, the number and identity of the desired gene segments of the sample can be determined. There is no limitation in terms of the number, type or minimum length of the sequenced sections since no subsequent bioinformatic assembly has to take place. In this preferred embodiment, the process plant according to the invention can be used in particular for a multi-step processing and analysis of sample material in the following manner: By providing probes in the reaction support of the process plant according to the invention, which are specific for gene sections to be analyzed, first desired gene segments by binding to the Probes are selected. Optionally, a washing step may be performed to remove unwanted sample material from the reaction support. It may then be an amplification of the sample material, which can already provide information about the sequence of the bound. Numerous methods are known to the person skilled in the art. Optionally, a sequencing of the bound and optionally amplified sample molecules can be carried out according to the method described. Such sequential processing and analysis of sample material is considerably simplified by the design of the reaction support as a microfluidic unit and thus offers a substantial improvement over the prior art.
6.6 Amplifikation des Signals statt des Zielmoleküls in einem der Schritte nach der ersten initialen Bindung6.6 amplification of the signal instead of the target molecule in one of the steps after the initial initial binding
Beispiele für solche Signalamplifϊkation sind dem Fachmann bekannt, dazu zählen u.a. Rolling Circle Amplification, Tyramid-vermittelte Amplifikation, Chemilumineszenz und Biolumineszenz, Phosphatase-induzierte Amplifikation oder die Dekoration der gebundenen Zielmoleküle durch ein oder mehrere weitere Oligonukleotide, die ihrerseits bereits markiert sind, wie z.B. bei Verwendung von „ branched DNA " oder „bDNA" der Firma Genospectra, USA (Collins M.L. et al.; Nucleic Acids Res. 25(15); 2979-2984; 1997). Bevorzugt können Konjugate aus Streptavidin und einem über das 5 '-Ende daran geknüpften Oligonukleotid verwendet werden. Diese können an zuvor an das Probenmolekül oder an das Probenmolekül bindende Sondenmoleküle angebrachte Biotineinheiten binden. Anschließend kann nach Zugabe einer zirkulären Nukleinsäure unter Verwendung der an das Streptavidin gebundenen Oligonukleotide eine dem Fachmann bekannte i?o/7mg-c/rc/e-Amplifikation stattfinden. Die Verwendung eines Verfahrensschrittes (nach der letzten ausreichend erachteten Bindung oder zwischendurch), der eine Amplifikation des Messsignals anstelle einer weiteren Amplifikation des Zielmoleküles ermöglicht, kann sich günstig auf die Kosten des Assays auswirken. Ein weiterer Vorteil kann in einer möglichst niedrigen Verzerrung des Verhältnisses der Zielmoleküle in der Probe liegen.Examples of such signal amplification are known to those skilled in the art, including but not limited to: Rolling circle amplification, tyramide-mediated amplification, chemiluminescence and bioluminescence, phosphatase-induced amplification or decoration of the bound target molecules by one or more other oligonucleotides, which in turn are already labeled, e.g. using "branched DNA" or "bDNA" from Genospectra, USA (Collins M. L. et al., Nucleic Acids Res. 25 (15): 2979-2984, 1997). Preferably, conjugates of streptavidin and an oligonucleotide linked thereto via the 5 'end may be used. These can bind to biotin units previously attached to the sample molecule or to the sample molecule. Subsequently, after addition of a circular nucleic acid using the oligonucleotides bound to the streptavidin, an i.sup.o / 7mg-c / rc / e amplification known to those skilled in the art can take place. The use of a process step (after the last sufficient binding or in between) that allows for amplification of the measurement signal instead of further amplification of the target molecule can be beneficial to the cost of the assay. Another advantage may be the lowest possible distortion of the ratio of the target molecules in the sample.
6.7 Reaktionsträger Für die meisten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren und molekularbiologischen Prozessanlagen sind mehrere Reaktionsträger verwendbar. Wichtig ist die gezielte Zuführung von Reagenzien bzw. Fluiden sowie die entsprechende Bestückung mit funktionalen biologischen Molekülen durch orts- oder/und zeitaufgelöste Immobilisierung. Die Reaktionsträger können prinzipiell flache Glasplättchen sein, wie man sie als Mikroskop-
Objektträger und für Mikroarrays kennt, wobei die Oberflächen mit einer der zahlreichen dem Fachmann bekannten Konfigurationen für die Bindung von Molekülen vorbereitet sein können, wie z.B. durch reaktive oder aktivierbare funktionale Gruppen (Epoxygruppen, Aminogruppen etc.). Alternativ kann auf den Reaktionsträgern eine weitere Schicht wie z.B. ein Gel, ein Polyacrylamid oder eine poröse Beschichtung aufgebracht sein, die auch die Beladungskapazität der Reaktionsträger erhöhen kann.6.7 Reaction Carriers For most embodiments of the processes according to the invention and molecular biological process plants, a plurality of reaction carriers can be used. Important is the targeted supply of reagents or fluids and the appropriate assembly of functional biological molecules by spatially or / and time-resolved immobilization. The reaction carriers can in principle be flat glass slides, as they are used as microscope slides. Known slide and microarray, wherein the surfaces can be prepared with one of the numerous known in the art configurations for the binding of molecules, such as by reactive or activatable functional groups (epoxy groups, amino groups, etc.). Alternatively it can be applied to the reaction carriers, a further layer such as a gel, a polyacrylamide or a porous coating, which can also increase the loading capacity of the reaction carrier.
Die Reaktionsträger können die Form von dreidimensionalen Mikrostrukturen haben, wie sie z.B. in WO 00/13018, in WO 02/46091 und in WO 01/08799 beschrieben sind. Demnach können die Reaktionsträger eine Vielzahl von kleinen Löchern oder Poren enthalten, die parallel oder orthogonal zu Zu- und Ableitungen angeordnet sein können. Alternativ kann es sinnvoll sein, einen Träger zu verwenden, der physikalisch, elektrostatisch, fluidisch oder chemisch ein Set an Beads, Mikrosphären oder Mikropartikeln immobilisiert, wie z.B. in WO 02/32567 beschrieben oder von der Firma Illumina, USA, bekannt.The reaction supports may take the form of three-dimensional microstructures, such as e.g. in WO 00/13018, in WO 02/46091 and in WO 01/08799. Thus, the reaction carriers may contain a plurality of small holes or pores that may be parallel or orthogonal to inlets and outlets. Alternatively, it may be useful to use a support that physically, electrostatically, fluidically, or chemically immobilizes a set of beads, microspheres, or microparticles, such as e.g. in WO 02/32567 or known by Illumina, USA.
Außer Glas sind für die Reaktionsträger viele andere organische und anorganische Materialien wie z.B. Silizium, Plastik, Kunststoff, Polypropylen, Harze, Polycarbonat, cylische Olefin-Copolymere oder Mischungen dieser Materialien bekannt.In addition to glass, many other organic and inorganic materials, e.g. Silicon, plastic, plastic, polypropylene, resins, polycarbonate, cyclic olefin copolymers or mixtures of these materials.
Dreidimensionale Strukturen können mit geeigneten Anschlusstechniken direkt in die erfindungsgemäße Anlage integriert werden. Flache oder nicht-geschlossene Reaktionsträger werden entsprechend in einer Flusszelle oder einem anderen dreidimensionalen Reaktionsraum eingebracht, so dass der notwendige Reagenzien- oder Fluidwechsel erfolgen kann. Diese Konstrukte können permanent sein, so dass für den normalen Betrieb kein Wechsel der eigentlichen flachen oder nicht geschlossenen Reaktionsträger vorgesehen ist. Dies kann durch Kleben, Verschrauben, indirekte Halterung, Klemmen oder Einspannen erfolgen. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die Reaktionsträger reversibel in den dreidimensionalen Reaktionsraum eingebracht werden. Dem Fachmann sind Methoden zur Halterung von Reaktionsträgern in Flusszellen und Messeinrichtungen bekannt.Three-dimensional structures can be integrated directly into the system according to the invention with suitable connection techniques. Flat or non-closed reaction carriers are introduced accordingly in a flow cell or another three-dimensional reaction space, so that the necessary change of reagents or fluids can take place. These constructs can be permanent, so that no change of the actual flat or non-closed reaction carrier is provided for normal operation. This can be done by gluing, screwing, indirect mounting, clamping or clamping. Likewise, it can be provided that the reaction carriers are reversibly introduced into the three-dimensional reaction space. The person skilled in methods for holding reaction carriers in flow cells and measuring devices are known.
Die dreidimensionalen Reaktionsräume oder geschlossenen Strukturen werden dann mit entsprechenden Anschlüssen für die Versorgung mit Fluiden und Reagenzien versehen.The three-dimensional reaction spaces or closed structures are then provided with appropriate connections for the supply of fluids and reagents.
6.8 Oligos werden enzymatisch abgeschrieben6.8 Oligos are enzymatically depreciated
Die im Reaktionsträger hergestellten Moleküle können als Templat fungieren und werden abgeschrieben. Dies kann nicht nur zur Analyse des Reaktionsträgers verwendet werden, wenn signalgebende Bausteine beim Abschreiben eingebaut werden, sondern kann genutzt werden, um eine Kopie des Reaktionsträgers in Form eines Gemisches löslicher Abschriften der im
Reaktionsträger synthetisierten Moleküle zu erzeugen. Der Reaktionsträger kann danach z.B. für eine neue Abschrift wieder verwendet werden. Ein Beispiel für einen solchen Prozess ist die Abschrift von DNA Molekülen im Reaktionsträger durch eine Primer-Extension-Reaktion durch eine Polymerase. Hierbei kann durch Verwendung einer thermostabilen Polymerase auch eine Amplifikation erfolgen, wenn zum Beispiel durch einen Überschuss an Primer und geeignete Veränderungen der Temperatur während der Reaktion ein wiederholtes Binden und Verlängern der Primer durchgeführt wird. Die entstandenen Abschriften können dann durch Waschen aus dem Reaktionsträger isoliert werden. Eine Primer-Extension-Reaktion kann auch ohne Waschen genutzt werden, um z.B. im Reaktionsträger synthetisierte DNA-Einzelstränge in Doppelstränge umzuwandeln. Diese können zur Analyse z.B. von Proteinen dienen, die doppelsträngige DNA binden oder modifizieren.The molecules produced in the reaction carrier can act as a template and are written off. This can not only be used for analysis of the reaction support when signaling devices are incorporated in the write-off, but can be used to make a copy of the reaction support in the form of a mixture of soluble copies of the Reaction carriers synthesized molecules to generate. The reaction carrier can then be reused eg for a new copy. An example of such a process is the transcription of DNA molecules in the reaction support by a primer extension reaction by a polymerase. In this case, by using a thermostable polymerase, an amplification can also take place if, for example, an excess of primer and suitable changes in the temperature during the reaction result in repeated binding and lengthening of the primers. The resulting copies can then be isolated by washing from the reaction medium. A primer extension reaction can also be used without washing in order to convert, for example, DNA strands synthesized in the reaction support into double strands. These can be used to analyze, for example, proteins that bind or modify double-stranded DNA.
Während des Abschreibevorgangs der Moleküle des Reaktionsträgers kann auch eine andere Molekülart entstehen. So kann z. B. im Reaktionsträger synthetisierte DNA in RNA umgeschrieben werden. Dies kann zum Beispiel durch die beschriebene vorherige Umwandlung der im Reaktionsträger synthetisierten DNA-Einzelstränge in Doppelstränge und anschließende Transkription erfolgen. Dem Fachmann sind hierfür zahlreiche Methoden bekannt. Es können außerdem Nukleinsäureanaloga oder -derivate eingebaut oder angeknüpft werden, die keine natürlichen DNA- oder RNA-Bausteine sind.During the process of copying the molecules of the reaction carrier, another type of molecule can also be formed. So z. B. DNA synthesized in the reaction carrier can be transcribed into RNA. This can be done, for example, by the described previous conversion of the DNA strands synthesized in the reaction support into double strands and subsequent transcription. Numerous methods are known to the person skilled in the art. It is also possible to incorporate or attach nucleic acid analogs or derivatives that are not natural DNA or RNA building blocks.
Figur 23 illustriert die beschriebene Ausführungsform und zeigt Daten von Experimenten, die ein erfolgreiches Kopieren von auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Sondenmolekülen nach Art einer Primer Extension beweisen. Die erstellten Kopien können dann durch Waschen aus dem Reaktionsträger herausgelöst werden und erfolgreich als Templat in einer PCR-Reaktion verwendet werden, wobei sie vermehrt werden.Figure 23 illustrates the described embodiment and shows data from experiments demonstrating successful copying of primer extension probes synthesized on the surface of the reaction support. The created copies can then be removed by washing from the reaction support and used successfully as a template in a PCR reaction, where they are propagated.
6.9 Konfigurationen der im Reaktionsträger synthetisierten Moleküle6.9 Configurations of molecules synthesized in the reaction support
Die im Reaktionsträger synthetisierten Moleküle können verschiedenen Verbindungsklassen zugehörig sein. Es können z.B. DNA- oder RNA-Moleküle aber auch Peptide im Reaktionsträger synthetisiert werden. Es ist weiterhin möglich, verschiedene Derivate und/oder Analoga dieser Verbindungsklassen im Reaktionsträger zu synthetisieren. Hierzu gehören Peptidnukleinsäuren (PNA) Locked-Nukleinsäuren (LNA), verschiedene nukleobasenmodifizierte Nukleinsäurederivate und -analoga, wie z.B. Nukleinsäuren mit verändertem Hybridisierungsverhalten oder angeknüpften funktionalen Gruppen wie Haptene, Fluoreszenfarbstoffe, lumineszenzfähige Gruppen oder deren Precursor, photoreaktive Gruppen, anorganische Partikel, photoisomerisierbare Gruppen oder Gruppen mit einem gewünschten
bestimmten Bindungs- oder Reaktionsverhalten oder einem gewünschten optischen Verhalten. Hierzu gehören unter anderem aber nicht ausschließlich Goldnanopartikel, Stilbene, Azobenzene, Nitrobenzylverbindungen, Biotin, Digoxigenin, Quantenpunkte, Phosphat, Phosphorthioate, Gruppen, die die Stabilität des Moleküls z.B. gegenüber Enzymen erhöhen, Gruppen, die Substrate für Enzyme darstellen usw.The molecules synthesized in the reaction support can belong to different classes of compounds. For example, DNA or RNA molecules but also peptides in the reaction carrier can be synthesized. It is also possible to synthesize various derivatives and / or analogs of these classes of compounds in the reaction carrier. These include peptide nucleic acids (PNA) Locked nucleic acids (LNA), various nucleobase-modified nucleic acid derivatives and analogs, such as nucleic acids with altered hybridization behavior or attached functional groups such as haptens, fluorescent dyes, luminescent groups or their precursors, photoreactive groups, inorganic particles, photoisomerizable groups or Groups with a desired certain binding or reaction behavior or a desired optical behavior. These include but are not limited to gold nanoparticles, stilbenes, azobenzenes, nitrobenzyl compounds, biotin, digoxigenin, quantum dots, phosphate, phosphorothioates, groups that increase the stability of the molecule to, for example, enzymes, groups that are substrates for enzymes, etc.
Es können ebenfalls Gemische aus Molekülen im Reaktionsträger hergestellt werden. DieIt is also possible to prepare mixtures of molecules in the reaction carrier. The
Moleküle können auch Verzweigungen oder dendritische Strukturen beinhalten. Es ist weiterhin möglich, Moleküle im Reaktionsträger zu synthetisieren, die mehreren Verbindungsklassen zugehörig sind oder aus verschiedenen, verknüpften Teilen bestehen, die jeweils unterschiedlichen Verbindungsklassen zugehörig sind. Die Verknüpfung kann direkt oder über bestimmte Linkergruppen erfolgen. So können zum Beispiel Nukleinsäuren mit Peptiden und/oder Proteinen verknüpft sein. Allgemein können zur Erzeugung und Veränderung der gewünschten Moleküle nicht nur z.B. organisch-chemische Methoden verwendet werden, sondern auch z.B. enzymatische Methoden.Molecules may also include branches or dendritic structures. It is also possible to synthesize molecules in the reaction carrier, which belong to several classes of compounds or consist of different, linked parts, each of which belongs to different classes of compounds. The linkage can be direct or via specific linker groups. For example, nucleic acids can be linked to peptides and / or proteins. In general, to produce and alter the desired molecules, not only e.g. organic chemical methods are used, but also e.g. enzymatic methods.
6.10 Herstellung von unterschiedlichen Reagenzien für das neue molekularbiologische Verfahren im gleichen Reaktionsträger (spezifische Primer oder sonstige funktionale Oligonukleotidsonden)6.10 Preparation of different reagents for the new molecular biology method in the same reaction carrier (specific primers or other functional oligonucleotide probes)
Die spezifischen Primer, Aptamere, Ribozyme, Aptazyme oder sonstigen Oligonukleotidsonden oder funktionalen Oligonukleotide oder Polynukleotide können im gleichen Reaktionsträger und in manchen Ausführungsformen auch auf dem gleichen Array hergestellt und in einem der Prozessschritte in Lösung gebracht werden. Dazu können sie entweder mit geeigneten labilen Linkern ausgestattet sein oder als Kopien von auf demThe specific primers, aptamers, ribozymes, aptazymes or other oligonucleotide probes or functional oligonucleotides or polynucleotides can be prepared in the same reaction carrier and in some embodiments also on the same array and dissolved in one of the process steps. These can either be equipped with suitable labile linkers or as copies of on the
Reaktionsträger erzeugten Oligonukleotidsonden hergestellt werden. Durch Einsatz bekannter Verfahren zur Herstellung von solchen Arrays aus Nukleinsäurepolymeren, z.B. in Form eines so genannten Mikroarrays, können sehr viele (typischerweise mehr als 10) unterschiedlicheReaction carrier generated oligonucleotide probes are produced. By using known methods for preparing such arrays of nucleic acid polymers, e.g. in the form of a so-called microarray, very many (typically more than 10) different
Nukleinsäurepolymere von mindestens mehr als 2, typischerweise mehr als 10 Basen Länge, erzeugt werden.Nucleic acid polymers of at least more than 2, typically more than 10 bases in length, can be produced.
In einer Ausführungsform wird ein Teil des Mikroarray bzw. der Nukleinsäuren, die dort immobilisiert wurden, als kopierfähige Matrizen für die enzymbasierte Synthese mittelsIn one embodiment, a portion of the microarray (s) immobilized thereon is used as copyable matrices for enzyme-based synthesis
Kopiervorgang vorgesehen. Sie stehen nach ihrer eigentlichen Synthese in kopierfähigemCopying provided. They stand after their actual synthesis in copierfähigem
Zustand zur Verfügung und können in einem enzymbasierten Verfahren unter Zugabe entsprechender Reagenzien und Hilfsstoffe, wie Nukleotiden, vervielfältigt werden.Condition available and can be amplified in an enzyme-based process with the addition of appropriate reagents and excipients, such as nucleotides.
Der nächste Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren besteht nun darin, die an der festen
Phase synthetisierten Moleküle mit Hilfe entsprechender Enzyme zu kopieren. Dazu sind zahlreiche Enzym-Systeme bekannt und kommerziell erhältlich. Beispiele hierfür sind DNA- Polymerasen, thermostabile DNA-Polymerasen, Reverse Transkriptasen und RNA-Polymerasen. Die Reaktionsprodukte zeichnen sich durch große Vielfalt der Sequenz aus, die indirekt über die Matrizen-Moleküle während des vorgeschalteten Synthesevorgangs frei wählbar programmiert werden kann. Ein Mikroarray aus dem Geniom-Instrument kann in einem MikroKanal als Reaktionsraum 6.000 frei wählbare Oligonukleotide mit einer Sequenz von bis zu 30 Nukleotiden in einer Mikroarray-Anordnung synthetisieren. Nach dem Kopierschritt liegen entsprechend bis zu 6.000 frei programmierbare DNA-30mere oder RNA-30mere in Lösung vor und können als Reaktanden für einen nächsten Verfahrensschritt zur Verfügung gestellt werden.The next step in the process according to the invention is now that on the solid Phase synthesized molecules using appropriate enzymes to copy. Numerous enzyme systems are known and commercially available for this purpose. Examples include DNA polymerases, thermostable DNA polymerases, reverse transcriptases and RNA polymerases. The reaction products are characterized by a large variety of sequence, which can be programmed arbitrarily indirectly via the template molecules during the upstream synthesis process. A microarray from the genome instrument can synthesize 6,000 freely selectable oligonucleotides with a sequence of up to 30 nucleotides in a microarray arrangement as a reaction space in a microchannel array. After the copying step, there are correspondingly up to 6,000 freely programmable DNA 30mers or RNA 30mers in solution and can be made available as reactants for a next process step.
Für den Start des Kopierschritts wird es dabei in einigen Ausführungsformen notwendig sein, so genannte Primer-Moleküle zuzugeben, die als Initiationspunkt für Polymerasen dienen. Diese Primer können aus DNA, RNA, einem Hybrid der beiden oder aus modifizierten Basen bestehen. Auch der Einsatz von Nukleinsäure-Analoga, wie PNA- oder LNA-Molekülen als Beispiel, ist in bestimmten Ausführungsformen vorgesehen. Zur Schaffung einer Erkennungsstelle für den Primer kann es zweckmäßig sein, am Ende eines jeden Nukleinsäurepolymeres auf dem Träger eine einheitliche Sequenz hinzuzufügen, entweder als Teil der Synthese oder in einem zusätzlichen Schritt mittels einer enzymatischen Reaktion, wie einer Ligation einer vorgefertigten Nukleinsäure-Kassette. In einer Variante ist das distale Ende der am Träger synthetisierten Sequenz selbstkomplementär und kann so einen hybriden Doppelstrang ausbilden, der von den Polymerasen als Initiationspunkt erkannt wird.For the start of the copying step it will be necessary in some embodiments to add so-called primer molecules, which serve as the initiation point for polymerases. These primers may consist of DNA, RNA, a hybrid of the two or modified bases. Also, the use of nucleic acid analogs, such as PNA or LNA molecules as an example, is contemplated in certain embodiments. To provide a primer recognition site, it may be desirable to add a uniform sequence to the end of each nucleic acid polymer on the support, either as part of the synthesis or in an additional step by means of an enzymatic reaction, such as ligation of a preformed nucleic acid cassette. In a variant, the distal end of the sequence synthesized on the support is self-complementary and can thus form a hybrid double strand, which is recognized by the polymerases as an initiation point.
Beispiele für erfindungsgemäße Ausführungsformen des Verfahrens und von Prozessschritten mit Verwendung solcher frei in Lösung vorliegenden Nukleinsäurepolymere sind: > die Herstellung von Primern für Primer-Extension-Methoden, Strand-Displacement-Examples of embodiments of the method according to the invention and of process steps with the use of such free-in-solution nucleic acid polymers are:> the preparation of primers for primer extension methods, beach displacement
Amplifikation, Polymerase Chain Reaction, Site Directed Mutagenesis oder Rolling Circle Amplifikation,Amplification, Polymerase Chain Reaction, Site Directed Mutagenesis or Rolling Circle Amplification,
> Weitere Prozessierung der Analyten oder Zielmoleküle für die logisch nachgeordnete Analyse auf dem Mikroarray, in einem Sequenzierverfahren, in einem Amplifikationsverfahren {Strand Displacement Amplifikation, Polymerase Chain> Further processing of the analytes or target molecules for the logical subordinate analysis on the microarray, in a sequencing method, in an amplification method {Strand Displacement Amplification, Polymerase Chain
Reaction oder Rolling Circle Amplifikation) oder für die Analyse in einer Gelelektrophorese,Reaction or rolling circle amplification) or for analysis in a gel electrophoresis,
> Herstellung von prozessierten RNA-Bibliotheken für nachfolgende Schritte, wie die Translation in vitro oder in vivo oder die Modulation der Genexpression durch iRNA
oder RNAi,> Preparation of processed RNA libraries for subsequent steps, such as translation in vitro or in vivo or modulation of gene expression by iRNA or RNAi,
> Herstellung von Sequenzen, die anschließend mittels Vektoren oder in Plasmiden oder direkt kloniert werden,> Production of sequences which are subsequently cloned by means of vectors or in plasmids or directly,
> Ligation der Nukleinsäuren in Vektoren oder Plasmide. Allen diesen Verfahren ist die Nutzung von Nukleinsäuren als hybridisierfähigem> Ligation of nucleic acids into vectors or plasmids. All of these methods are the use of nucleic acids as hybridisierbarigem
Reagenz gemeinsam. Darüber hinaus gibt es auch noch Verfahren, die Nukleinsäurepolymere nicht oder nicht ausschließlich über eine Hybridisierungsreaktion nutzen. Hierzu gehören Aptamere, Ribozyme und Aptazyme.Reagent together. In addition, there are also methods that use nucleic acid polymers not or not exclusively via a hybridization reaction. These include aptamers, ribozymes and aptazyme.
Die Herstellung der Nukleinsäurepolymere für das erfindungsgemäße Verfahren über eine Kopierreaktion bietet als zusätzlichen Vorteil an mehreren Stellen des Verfahrens dieThe preparation of the nucleic acid polymers for the process according to the invention via a copying reaction offers the additional advantage at several points in the process
Möglichkeit, mit bekannten Methoden in die Reaktionsprodukte Modifikationen oderPossibility of using known methods in the reaction products modifications or
Markierungen einzuführen. Hierzu zählen markierte Nukleotide, die z.B. mit Haptenen oder optischen Markern, wie Fluorophoren und Lumineszenz-Markern, modifiziert sind, markierteIntroduce markers. These include labeled nucleotides, e.g. labeled with haptens or optical markers such as fluorophores and luminescent markers
Primer oder Nukleinsäure- Analoga mit besonderen Eigenschaften, wie z.B. besondere Schmelztemperatur oder Zugänglichkeit für Enzyme.Primers or nucleic acid analogs having particular properties, e.g. special melting temperature or accessibility for enzymes.
Die Initiation an den Matrizen-Nukleinsäuren kann prinzipiell mit allen Methoden erfolgen, die dem Fachmann für die Initiation eines enzymatischen Kopiervorgangs von Nukleinsäuren bekannt sind, also z.B. aus den Anwendungen Polymerase Chain Reaction, Strand Displacement und Strand Displacement Amplification, /n-v/7ro-Replikation, Transkription, Reverse Transkription oder virale Transkription (Vertreter hiervon sind T7, T3 und SP6).In principle, initiation on the template nucleic acids can be carried out by any means known to those skilled in the art for initiating an enzymatic copying of nucleic acids, e.g. from the applications Polymerase Chain Reaction, Strand Displacement and Strand Displacement Amplification, / n-v / 7ro-replication, transcription, reverse transcription or viral transcription (representatives of which are T7, T3 and SP6).
In einer Ausführungsform wird ein Tl-, T3- oder ein SP6-Promoter in einen Teil oder alle Nukleinsäurepolymere am Reaktionsträger eingefügt.In one embodiment, a Tl, T3 or an SP6 promoter is incorporated into a part or all of the nucleic acid polymers on the reaction support.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden im Reaktionsträger Nukleinsäure- moleküle synthetisiert, die zur Bindung von microRNAs dienen. Die Nukleinsäuremoleküle können aus DNA bestehen, aber auch aus Nukleinsäureanaloga, die ein verändertes Hybridisierungsverhalten aufweisen.According to a further embodiment, nucleic acid molecules which serve to bind microRNAs are synthesized in the reaction carrier. The nucleic acid molecules may consist of DNA, but also of nucleic acid analogs which have a changed hybridization behavior.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Nukleinsäuren, die an die im Reaktionsträger synthetisierten Moleküle gebunden sind, durch enzymatische Methoden mit einer universellen Gruppe verknüpft. Dies kann durch Verlängerung durch templatunabhängige Polymerasen erfolgen wie z.B. Poly-A-Polymerase oder Telomerase.According to a further embodiment, nucleic acids which are bound to the molecules synthesized in the reaction support are linked by enzymatic methods with a universal group. This can be done by extension by template-independent polymerases, e.g. Poly A polymerase or telomerase.
In einer weiteren Ausführungsform wird eine Primer-Extension-Keaktion verwendet, um aus im Reaktionträger synthetisierten einzelsträngigen Nukleinsäuremolekülen Doppelstränge zu generieren. Diese können zur Analyse von Bindungs- oder Modifikationsereignissen durch z.B.
Proteine dienen, die an den Doppelstrang binden. Hierzu kann es zweckmäßig sein, generelle Sequenzabschnitte in die im Reaktionsträger synthetisierten Moleküle einzubauen, die zum Beispiel als Bindungsstelle für einen oder mehrere Primer dienen. Es können außerdem chemische Gruppen eingefügt werden, die eine kovalente Verknüpfung der beiden Stränge ermöglichen. Dem Fachmann sind hierfür zahlreiche Beispiele bekannt, z.B. die Anwendung von Psoralen.In another embodiment, a primer extension reaction is used to generate duplexes from single-stranded nucleic acid molecules synthesized in the reaction support. These can be used to analyze binding or modification events by eg Serve proteins that bind to the duplex. For this purpose, it may be expedient to incorporate general sequence sections in the molecules synthesized in the reaction support, which serve, for example, as a binding site for one or more primers. It is also possible to insert chemical groups which allow a covalent linking of the two strands. Numerous examples are known to the person skilled in the art, for example the use of psoralen.
In einer anderen Ausfuhrungsform dient der Anteil des Arrays aus Nukleinsäuren, der für diese Reaktionsprodukte vorgesehen ist, der Initiation einer isothermalen Kopierreaktion. Ein Vertreter dieser Verfahren ist die Strand-Displacement-Reaküon. Hiervon sind dem Fachmann zahlreiche Varianten bekannt. Dazu wird z.B. ein Primer gewählt, der an die Matrizen-Polymere an deren distalem Ende bindet und dann dort in 3 '-Richtung verlängert werden kann. Alle oder ein bestimmter Teil der Nukleinsäurepolymere auf dem Träger enthalten distal diese Primer- Sequenz. Als nächstes wird ein Enzym zugegeben, für das der Primer eine Erkennungsstelle enthält, so dass ein Einzelstrangbruch induziert wird. Die übliche Vorgehensweise sieht dazu die Verwendung einer Restriktionsnuklease vor, z.B. N.BstNB I (erhältlich z.B. von Fa. New England Biolabs), das von Natur aus nur Einzelstrangbrüche (so genannte Nicks) einfuhrt, da es keine Dimere bilden kann.In another embodiment, the portion of the array of nucleic acids that is provided for these reaction products, the initiation of an isothermal copying reaction. One representative of this procedure is the beach displacement reaction. Of these, many variations are known to those skilled in the art. For this purpose, e.g. a primer is chosen which binds to the template polymers at their distal end and can then be extended there in the 3 'direction. All or some of the nucleic acid polymers on the carrier contain this primer sequence distally. Next, an enzyme is added, for which the primer contains a recognition site, so that a single-strand break is induced. The usual procedure involves the use of a restriction nuclease, e.g. N.BstNB I (available, for example, from New England Biolabs), which inherently introduces single-strand breaks (so-called nicks) because it can not form dimers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden doppelsträngige, ringförmige Nukleinsäurefragmente bereitgestellt, wobei ein Strang an der Oberfläche des Trägers verankert wird und der andere Strang ein selbstprimendes 3 '-Ende umfasst, so dass eine Elongation des 3 '-Endes erfolgen kann. Die enzymatische Synthese umfasst bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Replikation analog des für die Replikation von Bakteriophagen bekannten ito/Vmg-C/rc/e-Mechanismus, wobei ein Strang der ringförmigen Nukleinsäurefragmente an der Oberfläche des Trägers verankert ist und mehrfach kopiert werden kann. Wenn zunächst ein doppelsträngiges geschlossenes Nukleinsäure-Fragment vorliegt, kann der zweite Strang zunächst durch einen Einzelstrangbruch geöffnet werden, wobei ein 3 '-Ende gebildet wird, von welchem ausgehend die Elongation stattfindet. Die Abspaltung des elongierten Strangs kann z.B. enzymatisch erfolgen. Durch Zugabe von Nukleotidbausteinen und eines geeigneten Enzyms erfolgt dann eine Synthese der jeweils zu den Basensequenzen der an der Oberfläche des Trägers verankerten Nukleinsäurestränge komplementären Teilsequenzen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden einzelsträngige, ringförmige DNA- Moleküle verwendet, um in einer i?o//mg-OVc/e-Amplification kopiert zu werden. Als Primer können hierbei in dem Reaktionsträger synthetisierte Nukleinsäuremoleküle verwendet werden oder Nukleinsäuremoleküle, die mit den im Reaktionsträger synthetisierten Molekülen
hybridisieren. Bevorzugt können auch Oligonukleotide als Primer verwendet werden, die mit Streptavidin verknüpft sind. Das Streptavidin-Biotin-Koηjugat kann zuvor an Biotineinheiten gebunden haben, die zuvor an Hybride von Sondenmolekülen und Probenmolekülen angeknüpft wurden. Diese mit den im Reaktionsträger synthetisierten Molekülen hybridisierenden Nukleinsäuremoleküle können eine universelle Gruppe enthalten, etwa einen Poly-A-schwanz. Es kann für diese Methode zweckmäßig sein, universelle Bindungsstellen im ringförmigen DNA-Molekül für die Bindung des Primers zu nutzen. Es entstehen dabei lange Concatemere, in die signalgebende Moleküle eingebaut werden und zur Analyse herangezogen werden können.According to another embodiment of the present invention, double-stranded, circular nucleic acid fragments are provided, one strand anchored to the surface of the support and the other strand comprising a self-priming 3 'end so that elongation of the 3' end can occur. The enzymatic synthesis in this variant of the method according to the invention comprises a replication analogous to the known for the replication of bacteriophages ito / Vmg-C / rc / e mechanism, wherein one strand of the annular nucleic acid fragments is anchored to the surface of the carrier and can be copied several times , If a double-stranded closed nucleic acid fragment is initially present, the second strand can first be opened by a single-strand break, forming a 3 'end, from which the elongation takes place. The cleavage of the elongated strand can be carried out enzymatically, for example. By addition of nucleotide building blocks and a suitable enzyme, synthesis of the partial sequences complementary to the base sequences of the nucleic acid strands anchored on the surface of the support is then carried out. In another embodiment, single-stranded, circular DNA molecules are used to be copied in an i0 // mg OVc / e amplification. In this case, it is possible to use as primers nucleic acid molecules synthesized in the reaction support or nucleic acid molecules which interact with the molecules synthesized in the reaction support hybridize. Preference is also given to using oligonucleotides which are linked to streptavidin as primers. The streptavidin-biotin conjugate may have previously bound to biotin units previously attached to hybrids of probe molecules and sample molecules. These nucleic acid molecules hybridizing with the molecules synthesized in the reaction support may contain a universal group, such as a poly A tail. It may be expedient for this method to use universal binding sites in the circular DNA molecule for the binding of the primer. This creates long concatemers, in which signaling molecules are incorporated and can be used for analysis.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die entstehenden Concatemere als Templat für weitere verlängerbare Moleküle dienen. Diese hybridisieren am durch die Rolling- C/rc/e-Amplification gebildeten Strang und werden durch eine Polymerase verlängert. Da hierbei mehrere Moleküle hintereinander binden können, kann ein Molekül durch seine Verlängerung eine Länge erreichen, bei der es an das Ende eines am gleichen Strang gebundenen Moleküls angrenzt. Hier kann die Verlängerung weiter erfolgen, wenn die Hybridisierung des zweiten Moleküls durch die voranschreitende Verlängerung gelöst wird („ Strand displacement ") und der Hybridisierungsbereich des zweiten Moleküls nochmals durch die Verlängerung des ersten Moleküls kopiert wird. Durch die Auflösung der Hybridisierung eines Moleküls entstehen wiederum Einzelstrangbereiche, die für ein verlängerbares Molekül als Templat dienen können. Dabei entstehen komplexe, verzweigte dendritische Strukturen. Während der Verlängerung der gebundenen Moleküle können insbesondere auch signalgebende Gruppen oder deren Vorläuferstufen oder Haptene in den wachsenden Strang eingebaut werden. Moleküle, die an die verlängerten Stränge binden, können ebenfalls signalgebende Gruppen oder deren Vorläuferstufen oder Haptene enthalten. Ebenso können die gebildeten Strukturen von Substanzen gebunden werden, die durch die Bindung an die durch die Verlängerung gebildeten Strukturen eine Änderung einer oder mehrerer ihrer optischen Eigenschaften erfahren.In another embodiment, the resulting concatemers may serve as a template for other extendable molecules. These hybridize to the strand formed by the rolling C / rc / e amplification and are extended by a polymerase. Since several molecules can sequentially bind to each other, a molecule can reach a length by its extension, adjacent to the end of a molecule bound to the same strand. Here, the extension can be continued, if the hybridization of the second molecule is resolved by the progressive extension ("Strand displacement") and the hybridization region of the second molecule is copied again by the extension of the first molecule by the resolution of the hybridization of a molecule arise again Single-stranded domains that can serve as a template for an extendable molecule give rise to complex, branched dendritic structures, and, in particular, signaling groups or their precursors or haptens can also be incorporated into the growing strand during elongation of the bound molecules may also contain signaling groups or their precursors or haptens, and the structures formed may be bound by substances that bind to the structures formed by the extension Change one or more of their optical properties experienced.
Die Produkte des Kopiervorgangs können auf verschiedenen Wegen Label, Bindungsstellen oder Marker erhalten, die für eine weitere Prozessierung oder den Einsatz in weiteren Assays oder Verfahren erwünscht sind.The products of the copying process can be given various labels, binding sites or markers that are desired for further processing or use in further assays or procedures.
Dazu gehören Marker und Label, die eine direkte Detektion der Kopien erlauben und dem Fachmann aus anderen Verfahren zur Kopie von Nukleinsäuren bekannt sind. Beispiel hierfür sind Fluorophore. Des Weiteren können Bindestellen für indirekte Nachweisverfahren oder Reinigungsverfahren vorgesehen werden. Dazu zählen als Beispiele Haptene, wie Biotin oder Digoxigenin.These include markers and labels that allow for direct detection of the copies and are known to those skilled in the art from other methods of copying nucleic acids. Examples are fluorophores. Furthermore, binding sites may be provided for indirect detection or purification procedures. These include as examples haptens, such as biotin or digoxigenin.
Die Label, Bindungsstellen oder Marker können in einer Variante durch modifizierte
Nukleotide eingeführt werden. Ein weiterer Weg eröffnet sich bei Verwendung von Primern für die Initiation des Kopiervorgangs. Die Primer können bereits mit Label, Bindungsstellen oder Marker in die Reaktion eingebracht werden.The labels, binding sites or markers can be modified in a variant by Nucleotides are introduced. Another way is to use primers to initiate the copying process. The primers can already be introduced into the reaction with labels, binding sites or markers.
Nachträglich können Label, Bindungsstellen oder Marker eingebracht werden, indem die Reaktionsprodukte einer nachfolgenden Markierungsreaktion mit generischen, mit den Nukleinsäuren reagierenden Agenzien behandelt werden. Ein Beispiel hierfür sind Cis-Platin- Reagenzien oder Nanogold-Partikel, wie sie z.B. von der Firma Aurogen, USA, angeboten werden. Alternativ hierzu lassen sich Label, Bindungsstellen oder Marker auch durch eine weitere enzymatische Reaktion einführen, wie z.B. durch eine terminale Transferase katalysiert. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Kopien der Matrizen-Nukleinsäuren ihrerseits zur Reaktion mit den gebundenen Ziel-Nukleinsäuren verwendet. Die Initiation ihrer Synthese als Kopierprodukte von Nukleinsäure-Sonden kann während oder nach der spezifischen Bindung der Zielmoleküle erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zunächst das unspezifisch gebundene oder ungebundene Probenmaterial weggewaschen. Die Sequenzen der zu kopierenden Nukleinsäure-Sonden werden so gewählt, dass die später in einer Hybridisierreaktion zu analysierende Sequenz erst bei erfolgreicher Verlängerung der einzelnen kopierten in Lösung befindlichen Nukleinsäurepolymere entsteht. Diese Abschnitte können dann ihrerseits mittels eines anderen Bereiches des Arrays detektiert werden. In einer Variante zur Erzeugung des Signals kann es vorgesehen sein, dass die Primer zurLabel, binding sites or markers can subsequently be introduced by treating the reaction products of a subsequent labeling reaction with generic agents which react with the nucleic acids. An example of this is cis-platinum reagents or nanogold particles, as e.g. offered by the company Aurogen, USA. Alternatively, labels, binding sites, or markers may also be introduced by a further enzymatic reaction, such as, e.g. catalyzed by a terminal transferase. In a preferred embodiment, the copies of the template nucleic acids in turn are used to react with the bound target nucleic acids. The initiation of their synthesis as copy products of nucleic acid probes can take place during or after the specific binding of the target molecules. In a particularly preferred embodiment, the non-specifically bound or unbound sample material is first washed away. The sequences of the nucleic acid probes to be copied are selected such that the sequence to be analyzed later in a hybridization reaction only arises upon successful extension of the individual nucleic acid polymers copied in solution. These sections can then be detected by means of another area of the array. In a variant for generating the signal, it may be provided that the primer for
Initiation des Kopiervorgangs bereits eine Modifikation tragen, die die Erzeugung des Signals unterstützt. Ein Beispiel für eine solche Modifikation ist ein Primer, der in seinem 5 '-Abschnitt in einem Bereich, der nicht für die Hybridisierung mit der Matrize notwendig ist, eine branched- DNA-Struktur trägt (zu bDNA siehe oben). Eine andere Variante sieht vor, dass für jede Zielsequenz, also z.B. ein einzelnes Gen oder Exon, zwei Primer mit gegenläufiger Spezifität bereitgestellt werden, so dass in einer PCR oder isothermalen Amplifikation eine effiziente exponentielle Vervielfältigung erfolgt.Initiation of the copying process already carry a modification that supports the generation of the signal. An example of such a modification is a primer carrying a branched DNA structure in its 5 'portion in a region that is not necessary for hybridization with the template (for bDNA see above). Another variant provides that for each target sequence, e.g. a single gene or exon, two primers of opposite specificity are provided such that efficient exponential amplification occurs in a PCR or isothermal amplification.
Bei gleichzeitiger Reaktion von Kopiervorgang, Amplifikation und Hybridisierung an die analytischen Sonden kann in einem sehr kompakten und simplifizierten Format die komplette Analyse eines Gemisches an Ziel-Nukleinsäuren durchgeführt werden. Solch eine komplette Analyse kann z.B. die Detektion aller exprimierten Gene aufklären - ohne vorherige Proben- Amplifikation und mit sehr einfacher Probenvorbereitung.By simultaneously copying, amplifying and hybridizing the analytical probes, complete analysis of a mixture of target nucleic acids can be performed in a very compact and simplified format. Such a complete analysis may e.g. elucidate the detection of all expressed genes - without prior sample amplification and with very simple sample preparation.
Eine dazu gehörige Vorrichtung als bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage besteht aus
a) einem Gerät für die in-situ-Synthese der Arrays von Matrizen-Polymeren und analytischen Nukleinsäure-Sonden, b) Elementen für die Abarbeitung fluidischer Schritte, wie der Probenzugabe, Reagenzien- Zugabe, Waschschritte oder/und Probenableitung c) einer Detektionseinheit für die Erfassung eines optischen oder elektrischen Signals, d) einer speicherprogrammierbaren Einheit für die Steuerung der Synthese, e) einer speicherprogrammierbaren Einheit für die Steuerung der Fluidik, der Detektion und der Speicherung und Verwaltung der Messdaten.An associated device as a preferred embodiment of the system according to the invention consists of a) a device for the in-situ synthesis of the arrays of template polymers and analytical nucleic acid probes, b) elements for the processing of fluidic steps, such as the sample addition, reagent addition, washing steps or / and sample extraction c) a detection unit for the detection of an optical or electrical signal, d) a programmable logic control unit, e) a programmable logic fluid control unit, detection and storage and management of measurement data.
In einer weiteren Ausführungsform werden die verlängerten Polymere mit analytischen Nukleinsäure-Sonden in Kontakt gebracht, die wiederum für eine Verlängerung in Form einer Primer Extension nutzbar sind. Die Anordnung eines Primer-Extension-Expeήmsnts ist aus der Fachliteratur bekannt. Das Signal der Primer-Extension an diese Analyse-Sonden wird dann zur Bestimmung des Analyse-Ergebnisses ausgewertet. Eine solche Analyse kann z.B. die Bestimmung von Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) in genomischer DNA sein. Dazu werden erst verlängerbare Primer an Matrizen-Nukleinsäuren abkopiert. Die Sequenz ist so gewählt, dass im 3 '-Bereich nach der Primer-Sequenz auf der Ziel-Nukleinsäure die zu untersuchenden SNPs lokalisiert sind. Im nächsten Schritt werden diese Primer über die Sequenz der zu detektierenden SNPs hinweg verlängert. Anschließend werden die Reaktionsprodukte dieser Verlängerung durch Primer-Extension oder direkt durch Hybridisierung untersucht und die Ergebnisse für die Bestimmung der in der Analyse abgefragten SNPs registriert. In der speicherprogrammierbaren Vorrichtung werden für den Nutzer der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Daten so aufbereitet, dass er z.B. direkt einen Report mit den Basen-Positionen und den gefundenen Basen erhält.In another embodiment, the extended polymers are contacted with analytical nucleic acid probes, which in turn are useful for extension in the form of primer extension. The arrangement of a primer extension expectorant is known from the specialist literature. The signal of the primer extension to these analysis probes is then evaluated to determine the analysis result. Such an analysis may e.g. the determination of single nucleotide polymorphisms (SNPs) in genomic DNA. For this purpose, only extensible primers are copied to template nucleic acids. The sequence is selected such that the SNPs to be examined are located in the 3 'region after the primer sequence on the target nucleic acid. In the next step, these primers are extended beyond the sequence of SNPs to be detected. Subsequently, the reaction products of this extension are examined by primer extension or directly by hybridization and the results for the determination of the SNPs queried in the analysis are registered. In the programmable logic device, for the user of the device according to the invention, the data are processed in such a way that e.g. directly receive a report with the base positions and the found bases.
Der große Vorteil der Erfindung liegt dabei darin, dass für solche Genotypisierungs- oder SNP-Analyse-Assays nur noch eine universelle, generische Probenvorbereitung notwendig ist. Primer und Reagenzien, die für einzelne Genotypen oder SNPs spezifisch sind, werden nicht benötigt, da alle Sequenz-Spezifität aus der m-s/tw-Synthese des zugrunde liegenden Matrizen- Arrays und dem Analyse-Array stammt. In der Ausführungsform mit der Kombination dieser beiden in einem Reaktionsträger wird die Genotypisierung und SNP-Analyse damit maximal vereinfacht.
6.11 Herstellung synthetischer Gene und anderer synthetischer Nukleinsäure-Doppel- stränge unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Prozessieren von Nukleinsäuren, die außerhalb des Reaktionsträgers hergestellt wurdenThe big advantage of the invention lies in the fact that only a universal, generic sample preparation is necessary for such genotyping or SNP analysis assays. Primers and reagents specific to individual genotypes or SNPs are not needed since all sequence specificity is derived from the ms / tw synthesis of the underlying template array and the analysis array. In the embodiment with the combination of these two in a reaction carrier, the genotyping and SNP analysis is thereby maximally simplified. 6.11 Production of synthetic genes and other synthetic nucleic acid double strands using the method according to the invention by processing nucleic acids which have been prepared outside the reaction carrier
Hierzu werden qualitativ hochwertige und in der Sequenz frei programmierbare Nukleinsäuren in Form von Oligonukleotiden bereitgestellt, um synthetische kodierende doppelsträngige DNA (synthetische Gene) herzustellen. Dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt.For this purpose, high-quality and freely programmable nucleic acids in the form of oligonucleotides are provided in order to produce synthetic coding double-stranded DNA (synthetic genes). For this purpose, the method according to the invention is used.
Die Oligonukleotide, die als Bausteine des synthetischen Genes dienen, werden durch Synthese im Reaktionsträger hergestellt. Die Nutzung von trägergebundenen Bibliotheken aus Nukleinsäuresonden ist für die Synthese von synthetischen Genen in PCT/EP00/01356 beschrieben. Die Synthese von Oligonukleotiden durch Kopieren von trägergebundenen Nukleinsäuren z.B. für die Gensynthese oder zur Herstellung von Reagenzien wie siRNAs oder Aptameren ist in DE 103 53 887.9 beschrieben. In beiden Verfahren werden Oligonukleotide mit frei wählbarer Sequenz in einem Bereich von 10 - 100, ggf. auch bis zu 500 Nukleotiden, für die nachfolgenden Verfahren, wie den Aufbau von synthetischen Genen, bereit gestellt. Es können außerdem Oligonukleotide, die außerhalb des Reaktionsträgers hergestellt wurden, durch dem Fachmann bekannte Verfahren an die im Reaktionsträger synthetisierten Oligonukleotide angeknüpft werden.The oligonucleotides, which serve as building blocks of the synthetic gene, are prepared by synthesis in the reaction carrier. The use of carrier-bound libraries of nucleic acid probes is described for the synthesis of synthetic genes in PCT / EP00 / 01356. The synthesis of oligonucleotides by copying carrier-bound nucleic acids e.g. for gene synthesis or for the preparation of reagents such as siRNAs or aptamers is described in DE 103 53 887.9. In both methods, oligonucleotides with a freely selectable sequence in a range from 10 to 100, possibly also up to 500 nucleotides, are provided for the subsequent methods, such as the construction of synthetic genes. In addition, oligonucleotides prepared outside the reaction carrier can be linked to the oligonucleotides synthesized in the reaction carrier by methods known to those skilled in the art.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weitere Prozessschritte, die die Nutzung, Aufreinigung, Modifikation oder Veredlung der Oligonukleotide oder den teilweisen oder kompletten Aufbau der Zielsequenz, also ggf. des fertigen synthetischen Genes, umfassen, gemäß dem Verfahren in einem entsprechenden Reaktionsträger durchgeführt.In one embodiment of the method according to the invention, further process steps which comprise the use, purification, modification or refinement of the oligonucleotides or the partial or complete construction of the target sequence, that is to say of the finished synthetic gene, are carried out according to the method in a corresponding reaction carrier.
6.12 Herstellung von synthetischen Genen und anderen synthetischen Nukleinsäure- Doppelsträngen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Prozessieren von Nukleinsäuren, die direkt im Reaktionsträger bzw. im Mikroarray hergestellt wurden a. Synthese und Ablösen durch labilen Linker b. Synthese via Kopie von Nukleinsäuresonden6.12 Production of synthetic genes and other synthetic nucleic acid double strands using the method according to the invention by processing nucleic acids which have been prepared directly in the reaction support or in the microarray a. Synthesis and detachment by labile linker b. Synthesis via copy of nucleic acid probes
In einer Ausführungsform werden qualitativ hochwertige und in der Sequenz frei programmierbare Nukleinsäuren in Form von Oligonukleotiden bereitgestellt, um synthetische kodierende doppelsträngige DNA (synthetische Gene) herzustellen. Dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt.
Die Oligonukleotide, die als Bausteine des synthetischen Genes dienen, werden durch Synthese und Ablösen mittels eines labilen Linkers oder durch Synthese via Kopie von Nukleinsäuresonden hergestellt. Die Nutzung von trägergebundenen Bibliotheken aus Nukleinsäuresonden ist für die Synthese von synthetischen Genen in PCT/EP00/01356 beschrieben. Die Synthese von Oligonukleotiden durch Kopieren von trägergebundenen Nukleinsäuren z.B. für die Gensynthese oder zur Herstellung von Reagenzien wie siRNAs oder Aptameren ist in DE 103 53 887.9 beschrieben. In beiden Verfahren werden Oligonukleotide mit frei wählbarer Sequenz in einem Bereich von 10 - 100, ggf. auch bis zu 500 Nukleotiden, für die nachfolgenden Verfahren, wie den Aufbau von synthetischen Genen, bereit gestellt. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden weitereIn one embodiment, high quality and freely programmable nucleic acids in the form of oligonucleotides are provided to produce synthetic double-stranded DNA (synthetic genes). For this purpose, the method according to the invention is used. The oligonucleotides, which serve as building blocks of the synthetic gene, are prepared by synthesis and detachment by means of a labile linker or by synthesis via a copy of nucleic acid probes. The use of carrier-bound libraries of nucleic acid probes is described for the synthesis of synthetic genes in PCT / EP00 / 01356. The synthesis of oligonucleotides by copying carrier-bound nucleic acids, for example for gene synthesis or for the preparation of reagents such as siRNAs or aptamers, is described in DE 103 53 887.9. In both methods, oligonucleotides with a freely selectable sequence in a range from 10 to 100, possibly also up to 500 nucleotides, are provided for the subsequent methods, such as the construction of synthetic genes. In one embodiment of the method according to the invention are more
Prozessschritte, die die Nutzung, Aufreinigung, Modifikation oder Veredlung der Oligonukleotide oder den teilweisen oder kompletten Aufbau der Zielsequenz, also ggf. des fertigen synthetischen Genes, umfassen, gemäß dem Verfahren in einem entsprechenden Reaktionsträger durchgeführt.Process steps which comprise the use, purification, modification or refinement of the oligonucleotides or the partial or complete construction of the target sequence, that is to say optionally of the finished synthetic gene, are carried out according to the process in an appropriate reaction carrier.
6.13 Ligation vermittelt durch Sonden aus Array6.13 Ligation mediated by probes from array
In einer Ausführungsform werden zwei Stränge verknüpft, von denen einer ein im Reaktionsträger synthetisiertes Sondenmolekül ist. Die Verknüpfung wird dabei durch einen Templatstrang ermöglich, der die beiden zu verknüpfenden Stränge in räumliche Nähe bringt. Alternativ kann das im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmolekül als Templat dienen, das zwei weitere Stränge in räumliche Nähe bringt und so eine Verknüpfung ermöglicht. Die Ligation kann dabei z.B. durch eine Ligase katalysiert werden, aber auch durch dem Fachmann bekannte chemische Kopplungsreaktionen erfolgen. In allen genannten Fällen kann das im Reaktionsträger synthetisierte Sondenmolekül entweder auf der Oberfläche des Reaktionsträgers immobilisiert sein oder vor der Verknüpfung abgelöst worden sein. Alternativ kann auch eine Abschrift der Moleküle des Reaktionsträgers vor der Verknüpfung erfolgen und die Verknüpfung mit den Molekülen, die die Kopie darstellen, erfolgen. Für das Kopieren kann auf dem Fachmann bekannte Verfahren zurückgegriffen werden, etwa einer Primer-Extension- Reaktion.In one embodiment, two strands are linked, one of which is a probe molecule synthesized in the reaction support. The linkage is made possible by a template strand, which brings the two strands to be linked in spatial proximity. Alternatively, the probe molecule synthesized in the reaction support can serve as a template, which brings two further strands in close proximity and thus allows a linkage. The ligation may be e.g. be catalyzed by a ligase, but also by the skilled person known chemical coupling reactions. In all the cases mentioned, the probe molecule synthesized in the reaction support can either be immobilized on the surface of the reaction support or have been detached before the attachment. Alternatively, a transcription of the molecules of the reaction carrier before the linkage can be made and the linkage with the molecules that make up the copy done. For copying, methods known to the person skilled in the art can be used, for example a primer extension reaction.
6.14 Lab on a Chip6.14 Lab on a chip
Die besondere Bauweise des Reaktionsträgers als Mikrofluidiksystem in Kombination mit Pumpsystemen ist ideal geeignet, um sequentiell Modifikationen von auf dem Reaktionsträger hergestellten Molekülen oder an die auf dem Reaktionsträger hergestellten
Moleküle bindenden Moleküle vorzunehmen. Da die zu modifizierenden Moleküle auf dem Reaktionsträger immobilisiert sind oder an diesen binden, werden Waschschritte zwischen den verschiedenen Modifϊkationsereignissen gegenüber gängigen Methoden erheblich vereinfacht. Eine Vielzahl von dem Fachmann bekannten molekularbiologischen Prozessen beinhalten mehrere aufeinanderfolgende Einzelschritte von bestimmten Modifikationen, zwischen denen ein Reinigungsschritt erfolgt. Dies sind z.B. enzymatische Modifikationen wie Amplifikation, Primer Extension, Ligation, Phosphorylierungen oder Dephosphorylierungen, Nukleasebehandlungen etc.. Die Reinigungsschritte sind zum Beispiel Bindung und Waschen der Probe mithilfe von Affinitätssäulen, Fällungsschritte, gelelektrophoretische Verfahren etc. In einer Ausführungsform wird die Erfindung genutzt, um aufeinander folgendeThe special construction of the reaction support as a microfluidic system in combination with pumping systems is ideally suited for sequential modifications of molecules produced on the reaction support or those prepared on the reaction support Make molecules binding molecules. Since the molecules to be modified are immobilized on or bind to the reaction support, washing steps between the various modification events are greatly simplified over current methods. A variety of molecular biological processes known to those skilled in the art include several sequential steps of particular modifications between which a purification step occurs. These are, for example, enzymatic modifications such as amplification, primer extension, ligation, phosphorylations or dephosphorylations, nuclease treatments, etc. The purification steps are, for example, binding and washing of the sample with the aid of affinity columns, precipitation steps, gel electrophoretic methods, etc. In one embodiment, the invention is used to: consecutive
Modifikationsereignisse von Molekülen durchzuführen. Dabei kann durch die Bauweise des Reaktionsträgers, dessen Mikrofluidikkanäle von Lösungen und Mischungen durchspült werden können, eine erhebliche Vereinfachung solcher Prozesse im Vergleich zu Methoden des Standes der Technik erreicht werden. Optional kann nach den einzelnen Modifikationsschritten jeweils ein Waschschritt erfolgen, um z.B. Substanzen eines Modifikationsschrittes zu entfernen, die einen darauf folgenden Schritt stören könnten.Modification events of molecules to perform. The design of the reaction support, whose microfluidic channels can be flushed through with solutions and mixtures, can achieve a considerable simplification of such processes in comparison with methods of the prior art. Optionally, after the individual modification steps, a washing step may be carried out in each case, in order to obtain e.g. Remove substances of a modification step that could interfere with a subsequent step.
6.15 Verbesserte Polymersondenarrays6.15 Improved polymer probe arrays
In einer Ausführungsform finden für die Polymersonden insbesondere asymmetrische Polymersonden Anwendung. Diese ermöglichen die Ausführung der Erfindung in einer Variante, bei der solche Sonden, die Volllängenprodukte darstellen, durch weitere Faktoren thermodynamisch bevorzugt sind als alleine durch die Tatsache, dass sie Volllängenprodukte sind. Dies wird erreicht, indem die Sonden einzelne Bausteine mit einem besonders starkenIn one embodiment, asymmetric polymer probes are used in particular for the polymer probes. These allow the practice of the invention in a variant in which such probes, which are full-length products, are thermodynamically favored by other factors than solely by the fact that they are full-length products. This is achieved by making the probes individual building blocks with a particularly strong
B indungs verhalten enthalten. Diese besonderen Bausteine werden asymmetrisch oder in einem späteren Schritt während der Polymersynthese eingefügt. Damit entsteht eine Asymmetrie, die den Sonden thermodynamische Eigenschaften gibt, die das Bindungsverhalten beeinflusst.Including binding behavior. These particular building blocks are introduced asymmetrically or in a later step during polymer synthesis. This creates an asymmetry that gives the probes thermodynamic properties that affect the binding behavior.
Im Fall von Nukleinsäuren finden Analoga Verwendung, die zu einer stärkeren Bindung an die komplementären Basen beitragen. Alternativ werden distal an den Sondenmolekülen solche Bausteine eingefügt, die das Bindungsverhalten beeinflussen und zu stärkerer Bindung dieser Sonden beitragen. Ein Beispiel hierfür sind Peptid-Derivate. Bekannt sind dem Fachmann zum Beispiel „Minor Groove Binders", die auch in der Polymerase-Kettenreaktion eingesetzt werden.In the case of nucleic acids, analogues are used which contribute to a stronger binding to the complementary bases. Alternatively, such building blocks are inserted distally on the probe molecules, which influence the binding behavior and contribute to stronger binding of these probes. An example of this are peptide derivatives. For example, those skilled in the art are aware of "minor groove binders" which are also used in the polymerase chain reaction.
Für die m-s/ta-Synthese von Polymersonden-Arrays auf einem Träger stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung. Sie haben das gemeinsame Ziel, einen eleganten Weg
zur Herstellung dieser Arrays zu eröffnen, der ressourcenschonend und ökonomisch ist und meist ein besonders gut definiertes Substrat für die nachfolgenden Analysen liefert. Außerdem können durch in-situ- Verfahren Arrays mit einer besonders hohen Zahl an unterschiedlichen •Rezeptorsonden auf einem Reaktionsträger erzeugt werden. Ein wesentlicher Nachteil solcher Verfahren ist aber, dass bei einem /«-s/Yw-Synthese-Various methods are available for the ms / ta synthesis of polymer probe arrays on a support. They have the common goal, an elegant way to create these arrays, which is resource-saving and economical and usually provides a particularly well-defined substrate for subsequent analyzes. In addition, arrays with a particularly large number of different receptor probes can be generated on a reaction support by in-situ methods. However, a major disadvantage of such methods is that in the case of a / s-Yw synthesis
Prozess das Produkt der Synthese nicht anschließend aufgereinigt werden kann. Zur Vermeidung dieses Nachteils werden bei sogenannten "off chip"-Synthesen der Polymersonden die entsprechenden DNA-Moleküle mit konventionellen Methoden hergestellt und anschließend dergestalt gereinigt, dass nahezu ausschließlich das Volllängenprodukt der Synthese vorliegt. Nur diese Molekülpopulation wird anschließend auf dem Substrat als Array angeordnet. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass die Anordnung der fertigen Polymersonden auf dem Array sehr aufwendig ist.Process the product of the synthesis can not subsequently be purified. To avoid this disadvantage, so-called "off-chip" syntheses of the polymer probes, the corresponding DNA molecules are prepared by conventional methods and then purified in such a way that almost exclusively the full-length product of the synthesis is present. Only this molecule population is then arranged on the substrate as an array. A disadvantage of this method, however, is that the arrangement of the finished polymer probes on the array is very expensive.
Die mangelnde Aufreinigung kann im Zusammenspiel mit der spezifischen Ausbeute der m-szYw-Synthese zu deutlichen Einbussen bei der Analysequalität führen, wenn der Anteil an Volllängenprodukt vergleichsweise niedrig ist. Dies spielt insbesondere bei DNA-Mikroarrays eine wesentliche Rolle, da die Länge eines immobilisierten DNA-Sondenmoleküls über die Spezifität der potentiellen Hybridisierungsreaktion mit einem Probenmolekül entscheidet. Diese Spezifität ist wiederum ein entscheidender Parameter für das analytische Potential eines DNA- Mikroarrays. Bisher bekannte Verfahren zur m-szYu-Herstellung von Polymersonden-Arrays beinhalten, dass alle aufeinanderfolgenden Additionsschritte mit einzelnen Bausteinen dieser Sonden durchgeführt werden. Keiner dieser Schritte weist eine Kopplungsrate von 100 % auf. Für den Fachmann ist klar, dass eine chemische serielle Kondensation wie im Fall einer in-situ- Synthese von Polymersonden nicht zu 100% Volllängenprodukt führen kann. In der DNA- Synthese sind die Kopplungsraten für die konventionelle Säulenmethodik nach vielen Jahren der Optimierung und unter Verwendung der effizientesten bekannten chemischen Methode (Phosphoramidit-Methode nach Caruthers) immer noch unter 100 %.The lack of purification in combination with the specific yield of the m-szYw synthesis can lead to significant losses in the quality of the analysis if the proportion of full-length product is comparatively low. This plays an important role especially in DNA microarrays, since the length of an immobilized DNA probe molecule determines the specificity of the potential hybridization reaction with a sample molecule. This specificity is again a crucial parameter for the analytical potential of a DNA microarray. Previously known methods for m-szYu production of polymer probe arrays involve performing all successive addition steps with individual building blocks of these probes. None of these steps has a coupling rate of 100%. It will be appreciated by those skilled in the art that chemical serial condensation, as in the case of in-situ synthesis of polymer probes, can not result in 100% full-length product. In the DNA synthesis, the coupling rates for the conventional column methodology are still below 100% after many years of optimization and using the most efficient known chemical method (Caruthers phosphoramidite method).
Mit vergleichsweise niedrigen Ausbeuten bei der seriellen Ankopplung von Synthesebausteinen kann der Anteil des Volllängenprodukts nach einer bestimmten Zahl von Synthesezyklen unter einen kritischen Wert fallen, so dass das Analyseergebnis gar nicht von diesem Volllängenprodukt geprägt wird. Bei der photolithographischen /«-siYw-Synthese von DNA mit MeNPOC- Schutzgruppen ist z. B. beschrieben, dass die Kopplungsrate der einzelnen Additionsschritte unter 95 % liegt (Beier, M., Hoheisel, J. D., Production by quantitative photolitogaphic synthesis of individually quality checked DNA microarrays, Vol. 28, No. 4, S. 1-
6, 2000). Mit solchen Verfahren lassen sich sinnvollerweise nur DNA-Polymersonden bis zu einer Länge von 25 Basen erzeugen. Auf solch einem Array stehen nur noch ca. 27% Volllängenprodukte, sofern die Rate tatsächlich 95% beträgt. Mit einer Kopplungsrate von 90 % je Additionsschritt ergibt sich nur noch ein Wert von 7 %. Bislang kann nur die Synthese von Polymersonden vor der Anordnung auf dem Array unter Verwendung eines geeigneten Reinigungsschrittes mit dann nachgeschaltet erfolgender Aufbringung auf dem Reaktionsträger für nahezu 100 % Volllängen-Sonden sorgen. Diese Vorgehensweise ist jedoch mit anderen Nachteilen behaftet, vor allem logistischem Aufwand und dem Vorlauf der Produktion einschließlich der Investition in die Polymersonden eines bestimmten ausgewählten Designs.With comparatively low yields in the case of the serial coupling of synthesis building blocks, the proportion of the full-length product can fall below a critical value after a certain number of synthesis cycles, so that the analysis result is not at all characterized by this full-length product. In the photolithographic / siYw synthesis of DNA with MeNPOC protective groups, for example, B. described that the coupling rate of the individual addition steps is below 95% (Beier, M., Hoheisel, JD, Production by quantitative photolitogaphic synthesis of individually tested DNA microarrays, Vol. 28, No. 4, p. 6, 2000). With such methods, it makes sense to produce only DNA polymer probes up to a length of 25 bases. On such an array are only about 27% full-length products, if the rate is actually 95%. With a coupling rate of 90% per addition step, only a value of 7% results. To date, only the synthesis of polymer probes prior to assembly on the array can provide nearly 100% full-length probes using a suitable purification step followed by subsequent application to the reaction support. However, this approach suffers from other disadvantages, notably logistical effort and the advance of production including investment in polymer probes of a particular selected design.
Vor diesem Hintergrund ist es in einer Ausführungsform mit asymmetrischen Sonden das Ziel, die geschilderten Nachteile zu vermeiden, die sich aus einer Population von unterschiedlich langen Molekülen auf den einzelnen Positionen eines Mikroarrays ergeben können, ohne die Nachteile einer "off chip" Synthese in Kauf nehmen zu müssen. Diese Ausführungsform der Erfindung mit asymmetrischen Sonden beschreibt also einAgainst this background, in one embodiment with asymmetric probes, the goal is to avoid the disadvantages described, which can result from a population of molecules of different lengths on the individual positions of a microarray, without accepting the disadvantages of an "off-chip" synthesis to have to. This embodiment of the invention with asymmetrical probes thus describes one
Verfahren zur Verbesserung der Nutzung von m-s/Yw-Syntheseverfahren in der Herstellung von Polymersonden-Arrays für das erfindungsgemäße Verfahren, indem der Beitrag von Volllängenprodukten aus dem Syntheseprozess zum Analyseergebnis erhöht wird. Dies wird durch eine asymmetrische Konfiguration der Polymersonden erreicht. Insbesondere in den letzten Syntheseschritten werden hierzu modifizierte Bausteine verwendet, die sich in bestimmten thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. der Bindungsstabilität, von den vorher verwendeten Bausteinen unterscheiden. Alternativ oder zusätzlich kann der gleiche Effekt durch eine geeignete Modifikation des distalen Endes der Polymersonden, z. B. mit einem Hybridisierungsverstärker, erzielt werden. Ein solches Molekül ist z.B. ein sogenannter "Minor Groove Binder" (Epoch Biosciences 2000 Annual Report, Seiten 4-5), der die Stabilität der Bindung an die letzten 4-5 Basen der Polymersonde deutlich erhöht. Beispiele für solche "Minor Groove Binders" sind einige natürliche Antibiotika mit einer Gestalt, die eine Faltung in die kleine Furche {"minor groove") einer DNA-Helix erlaubt. Damit wird die bei /w-s/ta-Synthesen fehlende Aufreinigung der Polymersonden vor der Aufbringung in einem Polymersonden-Array substituiert. Der Qualitätsnachteil von /n-szYw-Syntheseverfahren wird auf diese Weise teilweise oder ganz ausgeglichen.A method for improving the use of m-s / Yw synthesis methods in the production of polymer probe arrays for the method according to the invention by increasing the contribution of full-length products from the synthesis process to the analysis result. This is achieved by an asymmetric configuration of the polymer probes. In particular, in the last steps of the synthesis, modified building blocks are used, which in certain thermodynamic properties, such as. the binding stability, different from the previously used building blocks. Alternatively or additionally, the same effect may be achieved by suitable modification of the distal end of the polymer probes, e.g. B. with a hybridization amplifier can be achieved. Such a molecule is e.g. a so-called "Minor Groove Binder" (Epoch Biosciences 2000 Annual Report, pages 4-5), which significantly increases the stability of binding to the last 4-5 bases of the polymer probe. Examples of such "minor groove binders" are some natural antibiotics having a shape that allows for folding into the minor groove of a DNA helix. This substitutes the lack of purification of the polymer probes in / w-s / ta syntheses prior to application in a polymer probe array. The quality disadvantage of / n-szYw synthesis methods is thus partially or fully compensated.
Durch das beschriebene Verfahren als Ausführungsform der Erfindung wird die Nutzbarkeit von in situ synthetisierten Polymersonden-Arrays in Bezug auf die Qualität und Aussagekraft der Analyse verbessert.
Insbesondere fiir die Anwendung in Analysen und Prozessen, die mit sehr genauem Analyseergebnis oder sehr präziser Unterscheidung von sehr ähnlichem Untersuchungsgut arbeiten müssen, wird damit die Methode nochmals verbessert.The method described as an embodiment of the invention improves the usability of in-situ synthesized polymer probe arrays in terms of the quality and validity of the analysis. In particular, for the application in analyzes and processes, which must work with very accurate analysis result or very precise differentiation of very similar examination material, thus the method is further improved.
Verfahren und Moleküle für die Synthese von Polymersonden mit modifizierten thermodynamischen Eigenschaften unter Verwendung von modifizierten Nukleotidbausteinen sind aus der Patentschrift US 6,156,501 A bekannt. Darüber hinaus sind in der LiteraturMethods and molecules for the synthesis of polymer probes with modified thermodynamic properties using modified nucleotide building blocks are known from US Pat. No. 6,156,501 A. In addition, in the literature
Modifikationen an der fertigen Polymersonde bekannt, die die Bindungseigenschaften derModifications to the finished polymer probe are known that affect the binding properties of the polymer
Polymersonden verändern, z. B. eine Einlagerung von "Minor Groove Binders" (MGB).Change polymer probes, z. B. a storage of "Minor Groove Binders" (MGB).
Modifizierte Synthesebausteine sind beispielsweise Ribonukleosidanaloga, wie LNAs („ locked nucleic acids "), modifizierte Purin- bzw. Pyrimidinbasen, wie superstabilisierendeModified synthetic building blocks are, for example, ribonucleoside analogs, such as locked nucleic acids (LNAs), modified purine or pyrimidine bases, such as superstabilizers
Adenosinanaloga (z.B. 2,4-Diaminoadenosin), Pyrazolopyrimidine (z.B. PPG) sowieAdenosine analogues (e.g., 2,4-diaminoadenosine), pyrazolopyrimidines (e.g., PPG), as well as
Phosphatrückgratanaloga, wie z. B. Methylphosphonate, Phosphorthionate, Phosphoramidate etc.Phosphate backbone analogs, such as. As methylphosphonates, phosphorothionates, phosphoramidates, etc.
Weitere verwendbare Duplexstabilisatoren sind Bausteine, die zu einer Tripelhelix- bildung durch einen dritten Nukleinsäure- oder Peptidstrang führen können, sowie stabilisierende Moleküle, wie z.B. Interkalatoren, die sich zwischen die Basenstapelung eines DNA- Doppelstranges einlagern.Other useful duplex stabilizers are building blocks which can lead to triple helix formation by a third nucleic acid or peptide strand, as well as stabilizing molecules, such as e.g. Intercalators intercalated between the base stacking of a DNA double strand.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Kombination des asymmetrischen Sondendesigns mit m-s/tw-Reinigungsmethoden, bei denen die Abbruchprodukte der Sondensynthese in situ entfernt werden. Die postsynthetische Array-Optimierung wird in dieser Ausführungsform durch die modifizierten Bausteine am Ende der bis zuletzt verlängerten Polymersonden ermöglicht. Kürzere Sonden tragen überwiegend keine solchen modifizierten Bausteine und lassen sich mit geeigneten Verfahren, wie z.B. einem chemischen oder/und enzymatischen Verdau, entfernen.Another aspect of the invention is the combination of the asymmetric probe design with m-s / tw purification methods in which the termination products of the probe synthesis are removed in situ. The postsynthetic array optimization is enabled in this embodiment by the modified building blocks at the end of the last extended polymer probes. Shorter probes predominantly carry no such modified building blocks and can be obtained by suitable methods, such as e.g. a chemical and / or enzymatic digestion.
Ein Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers für die Bestimmung von Nukleinsäure-Analyten durch Hybridisierung, umfassend die Schritte: (a)An object of the invention is therefore a method for producing a carrier for the determination of nucleic acid analytes by hybridization, comprising the steps: (a)
Bereitstellen eines Trägerkörpers und (b) schrittweises Aufbauen eines Arrays von mehreren verschiedenen Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga auf demProviding a support body and (b) constructing an array of several different receptors selected from nucleic acids and nucleic acid analogs stepwise on the
Träger durch orts- oder/und zeitspezifisches Immobilisieren von Rezeptorbausteinen an jeweils vorbestimmten Positionen auf dem oder im Trägerkörper, wobei man für die Synthese der Rezeptoren mehrere unterschiedliche Sätze von Synthesebausteinen verwendet, um asymmetrische, d.h. aus mehreren unterschiedlichen Arten von Rezeptorbausteinen bestehendeCarriers by local or / and time-specific immobilization of receptor building blocks at respectively predetermined positions on or in the carrier body, wherein several different sets of synthetic building blocks are used for the synthesis of the receptors to asymmetric, i. consisting of several different types of receptor building blocks
Rezeptoren zu erhalten.To get receptors.
Die unterschiedlichen Sätze von Bausteinen werden dabei so ausgewählt, dass die einzelnen Bausteine in Bezug auf die Spezifität für komplementäre Nukleinsäurebausteine aus
dem Analyten gleich sind, aber eine unterschiedliche Affinität für komplementäre Nuklein- säurebausteine aus dem Analyten aufweisen, so dass die Bevorzugung von Volllängenprodukten eines in situ synthetisierten Polymersonden-Arrays durch eine gezielte Verteilung unterschiedlicher Arten von Bausteinen entlang der Polymersonden während der Synthese erreicht wird.The different sets of building blocks are selected so that the individual building blocks with respect to the specificity for complementary nucleic acid building blocks are equal to the analyte, but have a different affinity for complementary nucleic acid building blocks from the analyte so that the preference for full length products of an in situ synthesized polymer probe array is achieved by targeted distribution of different types of building blocks along the polymer probes during synthesis.
Vorzugsweise wird die Bevorzugung von Volllängenprodukten eines in situ synthetisierten Polymersonden-Arrays durch eine gezielte Verteilung unterschiedlicher Arten von Bausteinen entlang der Polymersonden während der Synthese erreicht. Dazu werden für das erfindungsgemäße Verfahren Sätze von Synthesebausteinen verwendet, die sich in Bezug auf bestimmte Parameter gleich verhalten, aber in bestimmten, z.B. thermodynamischen, Eigenschaften voneinander abweichen. Die Verteilung der Bausteine entlang des wachsenden Polymers während der m-s/Y«-Synthese wird dabei so gewählt, dass die Volllängenprodukte mit der Bausteinzahl n oder aber zumindest die Syntheseprodukte aus den letzten Additionsschritten der Polymerverlängerung modifizierte Bausteine enthalten. Die Bausteinanzahl n kann dabei 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, oder 70 betragen.Preferably, preference is given to full-length products of an in-situ synthesized polymer probe array by targeted distribution of different types of building blocks along the polymer probes during synthesis. For this purpose, the method according to the invention uses sets of synthesis building blocks that behave the same with regard to certain parameters, but in certain, e.g. thermodynamic, properties differ from each other. The distribution of the building blocks along the growing polymer during the m-s / Y "synthesis is chosen so that the full-length products with the number of building blocks n or at least the synthesis products from the last addition steps of the polymer extension modified building blocks. The number of components n can be 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32 , 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 , 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, or 70.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird zumindest für den letzten Schritt oder die letzten Schritte, z. B. die letzten zwei, drei oder vier Schritte, beim Aufbau der Rezeptoren ein Satz von Synthesebausteinen verwendet, der eine höhere Affinität für komplementäre Nukleinsäurebausteine aus dem Analyten aufweist als die vorher verwendeten.In a preferred embodiment, at least for the last step or the last steps, for. For example, in the last two, three or four steps, in the construction of the receptors, a set of synthetic building blocks is used which has a higher affinity for complementary nucleic acid building blocks from the analyte than those previously used.
Weiterhin ist es in einer Ausführungsform möglich, dass der für den oder die letzten Schritte beim Aufbau der Rezeptoren verwendete Satz von Synthesebausteinen zusätzlich eine höhere Beständigkeit gegenüber Abbaureagenzien, z. B. Enzymen, wie Nukleasen oder/und chemischen Reagenzien, wie Säuren oder Basen, im Vergleich zu dem für die ersten Schritte des Aufbaus der Rezeptoren verwendeten Satz von Synthesebausteinen aufweist. In diesem Fall kann z. B. nach Beendigung der Rezeptorsynthese ein gezielter Abbauschritt durchgeführt werden, mit dem der Anteil von Nicht- Volllängenprodukten gegenüber dem Anteil der Volllängenprodukte verringert wird. Der Einbau von "abbaubeständigen" Bausteinen und ein nachfolgender Abbauschritt können im Übrigen auch ein- oder mehrmals während früherer Schritte der Rezeptorsynthese erfolgen.Furthermore, in one embodiment, it is possible that the set of synthesis building blocks used for the last step or steps in the construction of the receptors additionally a higher resistance to degradation reagents, eg. As enzymes, such as nucleases and / or chemical reagents, such as acids or bases, compared to the set used for the first steps of the construction of the receptors set of synthetic building blocks. In this case, z. B. after completion of the receptor synthesis, a targeted degradation step can be performed, with which the proportion of non-full-length products compared to the proportion of full-length products is reduced. Incidentally, the incorporation of "degradable" building blocks and a subsequent degradation step can also take place one or more times during earlier steps of the receptor synthesis.
Eine alternative oder ergänzende Vorgehensweise sieht die Erzeugung unterschiedlicher Hybridisierungsaffinitäten für einzelne Sätze von Bausteinen durch Verwendung von Modifikationen der Rezeptoren, z. B. mittels Hybridisierungsverstärkern, vor, wodurch ihre
Eigenschaften in der gewünschten Art zugunsten der Volllängenprodukte verändert werden. Der Einbau von Hybridisierungsverstärkern erfolgt ortsspezifisch, d. h. es wird eine erhöhte Hybridisierungsaffinität für komplementäre Nukleotidbausteine aus dem Analyten für eine vorbestimmte Anzahl (d.h. einen Satz) einzelner Bausteine aus dem Rezeptor vorgesehen. Vorzugsweise wird der Hybridisierungsverstärker an das distale Ende des Rezeptors angefügt, wobei z.B. die letzten 3-5 Basen des Rezeptors bezüglich der Hybridisierungsaffinität modifiziert werden.An alternative or complementary approach is to generate different hybridization affinities for individual sets of building blocks by using modifications of the receptors, e.g. B. by means of hybridization amplifiers before, whereby their Properties can be changed in the desired manner in favor of full-length products. The incorporation of hybridization enhancers is site-specific, ie, increased hybridization affinity for complementary nucleotide building blocks from the analyte is provided for a predetermined number (ie, set) of individual building blocks from the receptor. Preferably, the hybridization enhancer is added to the distal end of the receptor, eg, modifying the last 3-5 bases of the receptor for hybridization affinity.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Nukleinsäure-Array, ausgewählt aus DNA- oder RNA-Arrays, insbesondere ein DNA-Array, aufgebaut, wobei ein erster Satz von Synthesebausteinen, bestehend aus unmodifizierte DNA- oder RNA- Synthesebausteinen, die zweckmäßigerweise in Form geeigneter Derivate mit Phosphoramidite, H-Phosphonate etc. vorliegen, verwendet wird. Als zweiter Satz für den oder die letzten Schritte des Rezeptoraufbaus wird dann ein Satz von Synthesebausteinen, ausgewählt aus N3'-P5'-Phosphoramidat-(NP)-Bausteinen, Locked-Nukleinsäure-(LNA)-Bausteinen, Morpholinophosphordiamidat-(MF)-Bausteinen, 2'-O-Methoxyethyl-(MOE)-Bausteinen, 2'- Fluor-arabino-Nukleinsäure-(FANA)-Bausteinen, Phosphorthioat-(PS)-Bausteinen, 2'-O- Methyl-(OMe)-Bausteinen oder Peptidnukleinsäure-(PNA)-Bausteinen verwendet. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren jedoch auch für den Aufbau von modifizierten Nukleinsäure-Arrays geeignet, wobei als erster Satz von Bausteinen ein erster modifizierter Bausteinsatz und als zweiter Satz ein zweiter modifizierter Bausteinsatz verwendet wird, wobei sich die beiden Bausteinsätze, wie zuvor beschrieben, hinsichtlich der Affinität für komplementäre Nukleinsäurebausteine des Analyten und gegebenenfalls zusätzlich hinsichtlich der Beständigkeit gegenüber Abbaureagenzien unterscheiden.In a preferred embodiment of the method according to the invention, a nucleic acid array selected from DNA or RNA arrays, in particular a DNA array, constructed, wherein a first set of synthesis blocks, consisting of unmodified DNA or RNA synthesis blocks, which expediently in Form of suitable derivatives with phosphoramidites, H-phosphonates, etc., is used. The second set of final or final steps of the receptor assembly is then a set of synthetic building blocks selected from N3'-P5'-phosphoramidate (NP) building blocks, Locked nucleic acid (LNA) building blocks, morpholinophosphordiamidate (MF) - Building blocks, 2'-O-methoxyethyl (MOE) building blocks, 2'-fluoro arabino-nucleic acid (FANA) building blocks, phosphorothioate (PS) building blocks, 2'-O-methyl (OMe) building blocks or peptide nucleic acid (PNA) building blocks. Of course, the inventive method, however, is also suitable for the construction of modified nucleic acid arrays, wherein a first modified block set is used as the first set of blocks and a second modified block set is used as a second set, wherein the two sets of blocks, as described above, with respect to Distinguish affinity for complementary nucleic acid components of the analyte and optionally additionally with respect to the resistance to degradation reagents.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umgeht die Reinigungsproblematik für m-5/Yw-Polymersonden durch eine asymmetrische Konfiguration der Sonden, die bei Nukleinsäuren zu einem erhöhten Beitrag der Volllängenprodukte zur Bindungsenergie im Doppelstrang bei einer späteren Anwendung auf dem Biochip führt.This variant of the method according to the invention circumvents the cleaning problem for m-5 / Yw polymer probes by an asymmetrical configuration of the probes, which leads to an increased contribution of the full-length products to the binding energy in the double strand in the case of nucleic acids in a later application on the biochip.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich neben den anderen in dieser Offenbarung beschriebenen Anwendungen besonders zum Nachweis oder/und zur Isolierung von Nukleinsäuren, z. B. zur Durchführung von Z)e-«ovo-Sequenzierungen, ReSequenzierungen und Punktmutationsanalysen, z. B. SNP -Analysen und den Nachweis neuer SNPs. Weiterhin kann das Verfahren für die Analyse von Genomen, Genomvariationen, Genominstabilitäten und Chromosomen sowie zur Genexpressions- bzw. Transkriptomanalyse oder zur Analyse von cDNA-Bibliotheken eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich auch für
die Herstellung von substratgebundenen cDNA-Bibliotheken oder cRNA-Bibliotheken. Außerdem können Arrays für die Herstellung synthetischer Nukleinsäuren, Nukleinsäuredoppelstränge und synthetischer Gene erzeugt werden.This variant of the method according to the invention is suitable, in addition to the other applications described in this disclosure, for the detection or / and isolation of nucleic acids, eg. To perform Z) e "ovo-sequencing, re-sequencing and point mutation analyzes, e.g. B. SNP analyzes and the detection of new SNPs. Furthermore, the method can be used for the analysis of genomes, genome variations, genome instabilities and chromosomes as well as gene expression or transcriptome analysis or for the analysis of cDNA libraries. The method is also suitable for the production of substrate-bound cDNA libraries or cRNA libraries. In addition, arrays can be generated for the production of synthetic nucleic acids, nucleic acid double strands and synthetic genes.
Des Weiteren können auch Arrays von PCR-Primern, Sonden für homogene Assays, Molecular Beacons und Haarnadel-Sonden hergestellt werden.In addition, arrays of PCR primers, probes for homogeneous assays, molecular beacons and hairpin probes can also be prepared.
Schließlich können auch Arrays für die Herstellung, Optimierung oder Entwicklung von Antisense-Molekülen erzeugt werden.Finally, arrays can also be generated for the production, optimization or development of antisense molecules.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Herstellung von Trägerkörpern mit Kanälen, z. B. mit geschlossenen Kanälen. Die Kanäle sind in einer Ausführungsform Mikrokanäle mit einem Querschnitt von z. B. 10-1000 μm. Beispiele für geeignete Trägerkörper mit Kanälen sind in WO 00/13018 beschrieben. Vorzugsweise wird ein Trägerkörper verwendet, der zumindest teilweise im Bereich der mit Rezeptoren zu bestückenden Positionen optisch transparent oder/und elektrisch leitfahig ist.The inventive method is particularly suitable for the production of carrier bodies with channels, z. B. with closed channels. The channels are in one embodiment microchannels with a cross section of z. B. 10-1000 microns. Examples of suitable carrier bodies with channels are described in WO 00/13018. Preferably, a carrier body is used which is at least partially optically transparent and / or electrically conductive in the region of the positions to be equipped with receptors.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich weiterhin besonders als integriertes Synthese-Analyse- Verfahren, d.h. der fertige Träger wird in situ für die Analytbestimmung und anschließend gegebenenfalls für weitere Synthese-Analyse-Zyklen eingesetzt wie in WO 00/13018 beschrieben.This variant of the method according to the invention is furthermore particularly suitable as integrated synthesis analysis method, i. the finished support is used in situ for the determination of analyte and then optionally for further synthesis-analysis cycles as described in WO 00/13018.
Weiterhin betrifft diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens auch einen Träger für die Bestimmung von Analyten, der eine Vielzahl, vorzugsweise mindestens 100 und besonders bevorzugt mindestens 500, von unterschiedlichen immobilisierten Rezeptoren enthält, wobei die Rezeptoren aus jeweils mehreren unterschiedlichen, z. B. zwei oder noch mehrerenFurthermore, this variant of the method according to the invention also relates to a carrier for the determination of analytes containing a plurality, preferably at least 100 and more preferably at least 500, of different immobilized receptors, wherein the receptors from each of several different, eg. B. two or more
Sätzen von Synthesebausteinen aufgebaut sind, und wobei die einzelnen Synthesebausteine inSets of synthesis building blocks are constructed, and wherein the individual building blocks in
Bezug auf die Spezifität für komplementäre Nukleinsäurebausteine aus dem Analyten gleich sind, aber eine unterschiedliche Affinität für komplementäre Nukleinsäurebausteine aus dem Analyten aufweisen.With respect to the specificity for complementary nucleic acid building blocks from the analyte are the same, but have a different affinity for complementary nucleic acid building blocks from the analyte.
Weiterhin betrifft diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Reagenzienkit, umfassend einen Trägerkörper und mindestens zwei unterschiedliche Sätze von Bausteinen für die Synthese von Rezeptoren auf dem Träger. Weiterhin kann der Reagenzienkit auch Reaktionsflüssigkeiten enthalten. Gegenstand diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist auch eine Vorrichtung zur integrierten Synthese- und Analytbestimmung an einem Träger, umfassend eine programmierbare Lichtquellenmatrix, optional eine Detektormatrix, einen bei der Verwendung einer Detektormatrix vorzugsweise zwischen Lichtquellen- und Detektormatrix angeordneten Träger sowie Mittel zur Zufuhr von Fluids in den Träger und zur Ableitung von Fluids aus dem
Träger und gegebenenfalls Reservoirs für Synthesereagenzien und Proben. Die programmierbare Lichtquellen- bzw. Belichtungsmatrix kann eine Reflexionsmatrix, eine Lichtventilmatrix, z. B. eine LCD-Matrix, oder eine selbstemittierende Belichtungsmatrix sein. Derartige Lichtmatrices sind z.B. in WO 00/13018 offenbart. Die Detektormatrix, z. B. eine elektronische CCD-Matrix, kann als Option im Trägerkörper integriert sein.Furthermore, this variant of the method according to the invention relates to a reagent kit comprising a carrier body and at least two different sets of building blocks for the synthesis of receptors on the carrier. Furthermore, the reagent kit may also contain reaction liquids. This variant of the method according to the invention also relates to a device for integrated synthesis and analyte determination on a carrier, comprising a programmable light source matrix, optionally a detector matrix, a carrier preferably arranged between light source and detector matrix when using a detector matrix and means for supplying fluids in the carrier and for the discharge of fluids from the Carrier and optionally reservoirs for synthesis reagents and samples. The programmable light source or exposure matrix may comprise a reflection matrix, a light valve matrix, e.g. Example, an LCD matrix, or a self-emitting exposure matrix. Such light matrices are disclosed, for example, in WO 00/13018. The detector matrix, z. As an electronic CCD matrix, may be integrated as an option in the carrier body.
Der Aufbau der Rezeptoren auf dem Träger kann fluid-chemische Syntheseschritte, photochemische Syntheseschritte, elektrochemische Syntheseschritte oder Kombinationen von zwei oder mehreren dieser Schritte umfassen. Ein Beispiel für die elektrochemische Synthese von Rezeptoren auf einen Träger ist in DE 101 20 663.1 beschrieben. Ein Beispiel für ein Hybridverfahren, umfassend die Kombination von fiuidchemischen Schritten und photochemischen Schritten, ist in DE 101 22 357.9 beschrieben.The structure of the receptors on the support can include fluid-chemical synthesis steps, photochemical synthesis steps, electrochemical synthesis steps, or combinations of two or more of these steps. An example of the electrochemical synthesis of receptors on a support is described in DE 101 20 663.1. An example of a hybrid process comprising the combination of fluorochemical steps and photochemical steps is described in DE 101 22 357.9.
Weiterhin soll die Erfindung durch das nachfolgende Beispiel erläutert werden. Es wird ein DNA-Mikroarray zu einer Länge der DNA-Sonden von 25 Bausteinen synthetisiert. Für den letzten Baustein wird statt eines natürlichen Nukleotids ein Analogon mit geeigneten Eigenschaften an die Sonde kondensiert. Dies kann ein LN A-(„ locked nucleic acid ")-Banstem sein, von dem bekannt ist, dass er zum einen für alle vier Basen der DNA hergestellt werden kann (und damit ein Satz passender Bausteine vorhanden ist), zum anderen für alle vier Basen mit deutlich höherer Schmelztemperatur an sein komplementäres Zielmolekül hybridisiert. Die Diskriminierung zwischen einer Hybridisierung oder Bindung an das Volllängenprodukt mit 25 Bausteinen Länge im Vergleich zu den Abbruchprodukten mit 24 oder weniger Nukleotiden wird dadurch verbessert. Das wirkt sich positiv auf das Analyseergebnis aus.Furthermore, the invention will be illustrated by the following example. A DNA microarray is synthesized to a length of DNA probes of 25 building blocks. For the last building block, instead of a natural nucleotide, an analogue with suitable properties is condensed on the probe. This may be a locked nucleic acid (LN A) bridge, which is known to be able to be produced for all four bases of the DNA (and for a set of matching building blocks), and for all Thus, the discrimination between hybridization or binding to the full-length 25-block length product compared to the 24-residue or less nucleotide termination products is improved, which has a positive effect on the analysis result.
In einer weiteren Ausführungsform kommen DNA oder andere Nukleinsäure- Polymersonden zum Einsatz, die alle oder teilweise zur Bildung von erwünschten dreidimen- sionalen Strukturen befähigt sind. Diese dreidimensionalen Strukturen können Hairpin- Strukturen oder andere, dem Fachmann bekannte Strukturen sein. In dieser Ausführungsform umfasst die Erfindung Arrays von auf einem Träger immobilisierten Nukleinsäuren, die zumindest teilweise in Form von Sekundärstrukturen, wie etwa Hairpin- Strukturen, vorliegen. Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung solcher Arrays und Anwendungen davon beansprucht.In a further embodiment, DNA or other nucleic acid polymer probes are used which are all or partially capable of forming desired three-dimensional structures. These three-dimensional structures may be hairpin structures or other structures known to those skilled in the art. In this embodiment, the invention encompasses arrays of nucleic acids immobilized on a support that are at least partially in the form of secondary structures, such as hairpin structures. Furthermore, methods for making such arrays and applications thereof are claimed.
Ein Bindungsereignis zwischen immobilisiertem Rezeptor und Analyt wird üblicherweise durch Detektion einer Markierungsgruppe nachgewiesen, die an den Analyten gebunden ist. Ein Träger und ein Verfahren zur Analytbestimmung, die eine integrierte Synthese von Rezeptoren und Analyse erlauben, sind z. B. in WO 00/13018 beschrieben.
Um mit Rezeptorarrays, z. B. DNA-Chips, komplexe biologische Fragestellungen (Genexpressions-Studien, Target- Validierung, Sequencing By Hybridisation, Re-Sequenzierung) bearbeiten zu können, ist es von grundlegender Bedeutung, dass die Hybridisierung zwischen Rezeptor und Target möglichst fehlerfrei durchgeführt werden kann. Das Nachweissystem muss daher in der Lage sein, zwischen einem sogenannten "füll match", d. h. wenn Sonde und Target vollkommen komplementär sind, und einem "mismatch" , wenn eine oder mehrere fehlerhafte Basenpaarungen vorliegen, zu unterscheiden. Besonders schwierig ist natürlicherweise die Unterscheidung zwischen einem " Single mismatch", wenn lediglich 1 Basenpaarung fehlerhaft ist, und dem "füll match". Des Weiteren sind aus thermodynamischen Gründen besonders endständige (terminale) Basen-Fehlpaarungen schwer bzw. nur unzureichend zu detektieren. Fehlpaarungen in der Mitte einer Sequenz sind dagegen aus denselben Gründen einfacher zu detektieren.A binding event between immobilized receptor and analyte is usually detected by detection of a label group bound to the analyte. A carrier and method for analyte determination that allow integrated synthesis of receptors and analysis are known e.g. As described in WO 00/13018. To deal with receptor arrays, eg. As DNA chips, complex biological issues (gene expression studies, target validation, sequencing by hybridization, re-sequencing) to be able to process, it is of fundamental importance that the hybridization between the receptor and target can be performed as error-free. The detection system must therefore be able to distinguish between a so-called "filling match", ie when the probe and target are completely complementary, and a "mismatch" when one or more erroneous base pairs are present. Of course, it is particularly difficult to distinguish between a single mismatch if only 1 base pair is faulty and the fill match. Furthermore, for terminal thermodynamic reasons, particularly terminal (terminal) base mismatches are difficult or insufficient to detect. Mismatches in the middle of a sequence, however, are easier to detect for the same reasons.
Auf bekannten DNA-Chips liegen Nukleinsäure-Rezeptoren möglichst in einzelsträngiger Form vor. Bei der Auswahl der Sequenzen für die Rezeptoren wird daher darauf geachtet, dass eine etwaige Ausbildung von Sekundärstrukturen vermieden wird. Die Detektion von Basen- Fehlpaarungen erfolgt nun dadurch, dass auf dem DNA-Chip nicht nur die eigentliche abzufragende Sequenz, sondern auch als Vergleich die entsprechende Sequenz mit einer Fehlpaarung in der Mitte der Basenabfolge als Negativ-Kontrolle aufgebracht ist. Ob es sich um einen "füll match" oder "mismatch" handelt, wird durch die jeweils unterschiedlichen Signalintensitäten, die sich durch Hybridisierung der Probe (Target) auf die Sonde bzw. ihrer Negativ-Kontrollsequenz (Mismatch-Sequenz) ergeben, detektierbar. Da aber auch hier nicht immer eine eindeutige Entscheidung getroffen werden kann, müssen zur Detektion einer bestimmten DNA-Sequenz innerhalb des Targets nicht nur eine einzige Sequenz, sondern mehrere (z. B. 20 Sequenzen pro Gen) Sequenzen (R. Lipschutz et al., Nature Genetics, 1999, 21, 20 ff.), die sich jeweils als Bruchstücke der nachzuweisenden Probe ergeben, mit den jeweils zugehörigen Kontroll-Sequenzen (Mismatch-Sequenzen) verwendet werden. Dadurch wird zum Nachweis einer einzigen Probensequenz nicht nur eine einzige Nukleinsäuresequenz auf dem DNA-Chip benötigt, sondern es sind üblicherweise 20 Sequenzen zuzüglich der jeweiligen 20 Negativ- Kontrollsequenzen (Mismatch-Sequenzen) erforderlich. Dies resultiert in einem erheblichen Mehraufwand bei der Herstellung von DNA-Chips und verringert deren Informationsdichte signifikant.Nucleic acid receptors are present in known single-stranded form on known DNA chips. In selecting the sequences for the receptors, care is therefore taken to avoid any formation of secondary structures. The detection of base mismatches now takes place in that not only the actual query sequence, but also the corresponding sequence with a mismatch in the middle of the base sequence is applied as a negative control on the DNA chip. Whether it is a "filling match" or "mismatch" is detectable by the respective different signal intensities which result from hybridization of the sample (target) to the probe or its negative control sequence (mismatch sequence). However, since it is not always possible to make an unambiguous decision, not only one single sequence but several (eg 20 sequences per gene) sequences have to be detected in order to detect a specific DNA sequence within the target (R. Lipschutz et al. , Nature Genetics, 1999, 21, 20 et seq.), Each of which results as fragments of the sample to be detected, with the respectively associated control sequences (mismatch sequences). As a result, not only a single nucleic acid sequence on the DNA chip is required to detect a single sample sequence, but usually 20 sequences plus the respective 20 negative control sequences (mismatch sequences) are required. This results in a significant overhead in the production of DNA chips and significantly reduces their information density.
Gegenwärtig gibt es noch keine Möglichkeiten, terminale Basen-Fehlpaarungen auf DNA-Chips zu detektieren.At present, there are still no ways to detect terminal base mismatches on DNA chips.
Eine Aufgabe dieser Ausführungsform der Erfindung ist es daher, ein System bereit-
zustellen, das es erlaubt, Basen-Fehlpaarungen sehr genau detektieren zu können. Weiterhin soll das erfindungsgemäße System nicht nur Basen-Fehlpaarungen in der Mitte einer Sequenz, sondern auch am Ende (terminal) auf einem Array hochparallel erkennen.An object of this embodiment of the invention is therefore to provide a system ready make it possible to detect base mismatches very accurately. Furthermore, the system according to the invention should detect not only base mismatches in the middle of a sequence, but also at the end (terminal) on an array in high parallel.
Diese Aufgabe wird durch Bereitstellung von Rezeptorarrays gelöst, die Nukleinsäure- Rezeptoren enthalten, die mindestens teilweise in Form von Hairpins vorliegen.This object is achieved by providing receptor arrays containing nucleic acid receptors that are at least partially in the form of hairpins.
Hairpins sind eine spezielle Form von Sekundärstrukturen bei Nukleinsäuren, die sich aus zwei komplementären Sequenz-Abschnitten im sogenannten Stern und einem weiteren Sequenzabschnitt im sogenannten Loop zusammensetzen (Fig. Ia). Hierbei besteht ein Gleichgewicht zwischen der geschlossenen Form und der geöffneten Form (Fig. Ib). Hairpin- Strukturen wurden bereits in Lösung zur markierungsfreien Detektion von Hybridisierungs- Ereignissen eingesetzt (Tyagi et al. Nature Biotechnology 1995, 14, 303-308). Diese Hairpin- Strukturen (Fig. 2 Typ A) zeichnen sich dadurch aus, dass sich die Erkennungssequenz im Loop des Hairpins befindet (Marras et al. Genetic Analysis; Biomolecular Engineering, 1999, 14, 151- 156). In einer besonderen Ausführungsform befinden sich ein Quencher- und ein Fluorophor- Molekül im geschlossenen Zustand in unmittelbarer räumlicher Nähe, so dass die Fluoreszenz gelöscht wird. Tritt nun ein Hybridisierungs-Ereignis mit der sich im Loop befindlichen Erkennungssequenz ein, öffnet sich der Hairpin, wobei Fluorophor und Quencher räumlich voneinander getrennt werden. Als Folge davon ist ein Fluoreszenzsignal zu beobachten. Als Quencher können neben bekannten Farbstoffen auch poly-Deoxyguanosinsequenzen fungieren (M. Sauer, BioTec, 2000, 1, 30 ff). Dies hat den Vorteil, dass die Hairpin- Struktur nur mit einem Fluorophor markiert werden muss (M. Sauer et al., Anal. Chem. 1999, 71 (14), 2850 ff), dass der Einbau eines Quencher-Moleküls entfällt.Hairpins are a special form of secondary structures in nucleic acids, which are composed of two complementary sequence sections in the so-called star and a further sequence section in the so-called loop (FIG. 1a). In this case, there is a balance between the closed mold and the opened mold (FIG. 1b). Hairpin structures have already been used in solution for the label-free detection of hybridization events (Tyagi et al., Nature Biotechnology 1995, 14, 303-308). These hairpin structures (Figure 2 type A) are characterized in that the recognition sequence is in the loop of the hairpin (Marras et al., Genetic Analysis, Biomolecular Engineering, 1999, 14, 151-156). In a particular embodiment, a quencher and a fluorophore molecule in the closed state are in close spatial proximity, so that the fluorescence is deleted. If a hybridization event occurs with the recognition sequence in the loop, the hairpin opens, whereby the fluorophore and the quencher are spatially separated. As a result, a fluorescence signal is observed. In addition to known dyes, poly-deoxyguanosine sequences can act as quenchers (M. Sauer, BioTec, 2000, 1, 30 ff). This has the advantage that the hairpin structure only has to be labeled with a fluorophore (M. Sauer et al., Anal. Chem. 1999, 71 (14), 2850 ff) that the incorporation of a quencher molecule is omitted.
Studien über das Verhalten von Hairpinstrukturen auf einer festen Phase - d. h. Arrays mit Hairpin-Strukturen - sind zwar bekannt (US 5,770,772), nutzen jedoch lediglich das Vorhandensein der doppelsträngigen Struktur eines Hairpin als Erkennungsstelle für z. B. Proteine aus. Der Nachweis einer Analytbindung durch Auflösung der Hairpinstruktur wird nicht offenbart. Im Besonderen sind keine Hairpin-Strukturen bekannt, die die Sequenzinformation im Stern des Hairpins als Erkennungssequenz für eine Hybridisierung nutzen. Des Weiteren sind bislang noch keine Hairpinstrukturen bekannt, deren Anbindung an die feste Phase nicht über ein terminales Ende erfolgt.Studies on the Behavior of Hairpin Structures on a Solid Phase - d. H. Arrays with hairpin structures - although known (US 5,770,772), but only use the presence of the double-stranded structure of a hairpin as a recognition site for z. For example, proteins. The detection of an analyte binding by dissolution of the hairpin structure is not disclosed. In particular, no hairpin structures are known which use the sequence information in the star of the hairpin as a recognition sequence for a hybridization. Furthermore, no hairpin structures are known to date whose attachment to the solid phase is not via a terminal end.
Ein Gegenstand der Erfindung ist in dieser Ausführungsform ein Verfahren zur Bestimmung von Analyten, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen eines Trägers mit mehreren vorbestimmten Bereichen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga
immobilisiert sind, wobei in einem oder mehreren der vorbestimmten Bereiche die Rezeptoren in Abwesenheit eines damit spezifisch bindefähigen Analyten zumindest teilweise als Sekundärstruktur vorliegen. Teilweise bezieht sich hierbei auf jeden einzelnen Rezeptor in der Weise, dass die Anwesenheit des jeweiligen damit spezifisch bindefahigen Analyten eine Änderung oder Aufhebung der Sekundärstruktur im Rezeptor verursacht. b) Inkontaktbringen des Trägers mit einer Analyten enthaltenden Probe und c) Bestimmen der Analyten über deren Bindung an die auf dem Träger immobilisierten Rezeptoren, wobei die Bindung eines Analyten an einem damit spezifisch bindefahigen Rezeptor den Nachweis der Auflösung der in Abwesenheit des Analyten vorliegenden Sekundärstruktur umfasst.An object of the invention in this embodiment is a method for the determination of analytes, comprising the steps of: a) providing a carrier with a plurality of predetermined regions, on each of which different receptors selected from nucleic acids and nucleic acid analogs are immobilized, wherein in one or more of the predetermined areas, the receptors in the absence of an analyte specifically bindable thereby at least partially present as a secondary structure. In some cases, this refers to each individual receptor in such a way that the presence of the respective analyte capable of binding specifically causes a change or abolition of the secondary structure in the receptor. b) contacting the carrier with a sample containing analyte; and c) determining the analytes via their binding to the receptors immobilized on the carrier, wherein the binding of an analyte to a receptor which is specifically bindable comprises detection of the resolution of the secondary structure present in the absence of the analyte ,
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Bestimmung von Analyten, umfassend a) eine Lichtquellenmatrix, b) einen Träger mit mehreren vorbestimmten Positionen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren auf dem Träger immobilisiert sind, c) Mittel zur Zufuhr von Fluids zum Träger und zur Ableitung von Fluids aus dem Träger und d) eine Detektionsmatrix umfassend mehrere Detektoren, die den vorbestimmten Positionen auf dem Träger zugeordnet sind. Die erfindungsgemäßen Hairpin- Strukturen lassen sich überraschenderweise für eine sehr genaue Diskriminierung von Basenfehlpaarungen auf einer Festphase, insbesondere auf einem Array, verwenden. Die erfindungsgemäßen Hairpin- Strukturen lassen sich hochparallel sowohl in situ auf der festen Phase erzeugen, können aber auch, wenn vorgefertigt, auf dieser immobilisiert werden. Die Rezeptoren werden ausgewählt aus Nukleinsäure-Biopolymeren, z. B. Nukleinsäuren wie DNA und RNA oder Nukleinsäureanaloga wie Peptidnukleinsäuren (PNA) und Locked- Nukleinsäuren (LNA) sowie Kombinationen davon. Besonders bevorzugt werden als Analyten Nukleinsäuren bestimmt, wobei die Bindung der Analyten eine Hybridisierung umfasst. Das Verfahren ermöglicht jedoch auch den Nachweis anderer Rezeptor- Analyt- Wechsel Wirkungen, z. B. den Nachweis von Nukleinsäure-Protein- Wechselwirkungen.Another object of the invention is a device for the determination of analytes, comprising a) a light source matrix, b) a carrier having a plurality of predetermined positions, on each of which different receptors are immobilized on the carrier, c) means for supplying fluids to the carrier and the Discharging fluids from the carrier; and d) a detection matrix comprising a plurality of detectors associated with the predetermined positions on the carrier. The hairpin structures according to the invention can surprisingly be used for a very precise discrimination of base mismatches on a solid phase, in particular on an array. The hairpin structures according to the invention can be produced highly parallel both in situ on the solid phase, but can also, if prefabricated, be immobilized thereon. The receptors are selected from nucleic acid biopolymers, e.g. As nucleic acids such as DNA and RNA or nucleic acid analogues such as peptide nucleic acids (PNA) and Locked nucleic acids (LNA) and combinations thereof. Particular preference is given to determining nucleic acids as analytes, where the binding of the analytes comprises hybridization. However, the method also allows the detection of other receptor-analyte-change effects, eg. B. the detection of nucleic acid-protein interactions.
Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst vorzugsweise eine parallele Bestimmung von mehreren Analyten, d. h. es wird ein Träger bereitgestellt, der mehrere unterschiedliche Rezeptoren, die mit jeweils unterschiedlichen Analyten in einer einzigen Probe reagieren können, enthält. Die Zahl der unterschiedlichen Rezeptoren auf einem Träger beträgt
vorzugsweise mindestens 50, mehr bevorzugt mindestens 100, noch mehr bevorzugt mindestens 200, noch mehr bevorzugt mindestens 500, noch mehr bevorzugt mindestens 1.000, noch mehr bevorzugt mindestens 5.000, noch mehr bevorzugt mindestens 10.000, noch mehr bevorzugt mindestens 50.000. Vorzugsweise werden mindestens 50, vorzugsweise mindestens 100 und besonders bevorzugt mindestens 200 Analyten parallel bestimmt.This variant of the method according to the invention preferably comprises a parallel determination of a plurality of analytes, ie a carrier is provided which contains a plurality of different receptors which can react with respectively different analytes in a single sample. The number of different receptors on a support is preferably at least 50, more preferably at least 100, even more preferably at least 200, even more preferably at least 500, even more preferably at least 1000, even more preferably at least 5000, even more preferably at least 10,000, even more preferably at least 50,000. Preferably, at least 50, preferably at least 100 and more preferably at least 200 analytes are determined in parallel.
Die Immobilisierung der Rezeptoren an den Träger kann durch kovalente Bindung, nicht- kovalente Selbstassemblierung, Ladungswechselwirkung oder Kombinationen davon erfolgen. Die kovalente Bindung umfasst vorzugsweise die Bereitstellung einer Trägeroberfläche mit einer chemisch reaktiven Gruppe, an die die Startbausteine zur Rezeptorsynthese, vorzugsweise über einen Spacer bzw. Linker gebunden werden können. Die nicht-kovalente Selbstassemblierung kann beispielsweise auf einer Edelmetalloberfläche, z. B. einer Goldoberfläche, mittels Thiolgruppen, vorzugsweise über einen Spacer bzw. Linker, erfolgen.Immobilization of the receptors to the support may be by covalent bonding, non-covalent self-assembly, charge interaction, or combinations thereof. The covalent bond preferably comprises the provision of a carrier surface with a chemically reactive group, to which the starting components for receptor synthesis, preferably via a spacer or linker can be bound. The non-covalent self-assembly can be carried out, for example, on a precious metal surface, e.g. As a gold surface, using thiol groups, preferably via a spacer or linker done.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass das Detektionssystem zur Analytbestimmung, eine Lichtquellenmatrix, einen mikrofluidischen Träger und eine Detektionsmatrix in einem zumindest teilweise integrierten Aufbau kombiniert. Dieses Detektionssystem kann zur integrierten Synthese und Analyse eingesetzt werden, insbesondere zum Aufbau komplexer Träger, z. B. Biochips, und zur Analyse komplexer Proben, z. B. zur Genom-, Genexpressions- oder Proteomanalyse.The present invention is preferably characterized in that the detection system for analyte determination, a light source matrix, a microfluidic carrier and a detection matrix combined in an at least partially integrated structure. This detection system can be used for integrated synthesis and analysis, in particular for the construction of complex carriers, for. As biochips, and for the analysis of complex samples, eg. For genomic, gene expression or proteome analysis.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Synthese der Rezeptoren in situ auf dem Träger, beispielsweise indem Fluid mit Rezeptorsynthesebausteinen über den Träger geleitet wird, die Bausteine an jeweils vorbestimmten Bereichen auf dem Träger orts- oder/und zeitspezifisch immobilisiert werden und diese Schritte wiederholt werden, bis die gewünschten Rezeptoren an den jeweils vorbestimmten Bereichen auf dem Träger synthetisiert worden sind. Diese Rezeptorsynthese umfasst vorzugsweise mindestens einen fluidchemischen Schritt, einen photochemischen Schritt, einen elektrochemischen Schritt oder eine Kombination solcher Schritte sowie eine online-Prozessüberwachung, beispielsweise unter Verwendung der Detektionsmatrix.In a particularly preferred embodiment, the synthesis of the receptors takes place in situ on the support, for example by passing fluid with receptor synthesis units over the support, the building blocks being immobilized on respectively predetermined areas on the support in a location-specific or / and time-specific manner and these steps being repeated, until the desired receptors have been synthesized at the respective predetermined regions on the support. This receptor synthesis preferably comprises at least one fluid chemical step, one photochemical step, one electrochemical step or a combination of such steps and one online process monitoring, for example using the detection matrix.
Die Lichtquellenmatrix ist vorzugsweise eine programmierbare Lichtquellenmatrix, z. B. ausgewählt aus einer Lichtventilmatrix, einem Spiegelarray, einem UV-Laserarray und einem UV-LED (Dioden)-Array.The light source matrix is preferably a programmable light source matrix, e.g. B. selected from a light valve matrix, a mirror array, a UV laser array and a UV LED (diode) array.
Der Träger ist vorzugsweise eine Flusszelle bzw. eine Mikroflusszelle, d. h. ein mikrofluidischer Träger mit Kanälen, vorzugsweise mit geschlossenen Kanälen, in denen sich die vorbestimmten Positionen mit den jeweils unterschiedlich immobilisierten Rezeptoren befinden. Die Kanäle haben vorzugsweise Durchmesser im Bereich von 10 bis 10.000 μm,
besonders bevorzugt von 50 bis 250 μm und können grundsätzlich in beliebiger Form ausgestaltet sein, z. B. mit rundem, ovalem, quadratischem oder rechteckigem Querschnitt.The carrier is preferably a flow cell or a microfluidic cell, ie a microfluidic carrier with channels, preferably with closed channels, in which the predetermined positions with the respectively differently immobilized receptors are located. The channels preferably have diameters in the range of 10 to 10,000 μm, more preferably from 50 to 250 microns and may in principle be configured in any form, for. B. with round, oval, square or rectangular cross-section.
Wie bereits ausgeführt, umfassen die Sekundärstrukturen in dieser Ausführungsform der Erfindung vorzugsweise eine Hairpin-Struktur, die aus einem Stern und einem Loop zusammengesetzt ist. In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann sich die mit dem Analyten bindefähige Sequenz des Rezeptors im Bereich des Loops eines Hairpins befinden. Durch Bindung des Loops an den Rezeptor wird die Hairpin- Struktur geöffnet. Diese Hairpin-Öffnung kann wiederum durch geeignete Maßnahmen (z. B. siehe oben) nachgewiesen werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform befindet sich jedoch die mit dem Analyten spezifisch bindefähige Sequenz des Rezeptors im Stern der Hairpin-Struktur. Auch in dieser Ausführungsform bewirkt die Bindung des Analyten an den Rezeptor eine nachweisbare Auflösung der Hairpin-Struktur.As already stated, the secondary structures in this embodiment of the invention preferably comprise a hairpin structure composed of a star and a loop. In a first embodiment of the method according to the invention, the sequence of the receptor which is capable of binding with the analyte can be in the region of the loop of a hairpin. Binding the loop to the receptor opens the hairpin structure. This hairpin opening can in turn be detected by suitable means (eg see above). In a particularly preferred embodiment, however, the specific binding of the analyte sequence of the receptor is located in the star of the hairpin structure. Also in this embodiment, the binding of the analyte to the receptor causes a detectable dissolution of the hairpin structure.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Hairpin- Strukturen mit einer Erkennungssequenz im Stern (Fig. 38, 39A und 39B) komplementäre Sequenzen A und A* im Stern und eine Linker-Einheit L im Loop. Dabei befinden sich im Loop des Hairpins Bausteine, die keine Basenpaarungen eingehen können (z. B. Polyethylenglykol-, Alkyl-, Polyethylenglykolphosphat- oder Alkylphosphat- Einheiten) oder Bausteine, die nur schwache Basenpaarungen eingehen können (z. B. ein Tn-Loop mit n = 2-8). Als Erkennungssequenzen können beide Sequenzabschnitte A (Fig. 39B) oder A* (Fig. 39A) im Stern dienen. Wird ein Hybridisierungsexperiment durchgeführt, konkurriert z. B. eine in der zu untersuchenden Probe befindliche Sequenz A mit der Referenzsequenz A im Stern des Hairpins um die Sequenz A* (Fig. 39A). Diese Konkurrenzsituation wird dazu verwendet, die Spezifität der Hybridisierung zu erhöhen. Ist z. B. die in der Probe befindliche Sequenz A nicht vollständig komplementär zu A* (d. h. es treten Fehlpaarungen auf), ist die Paarung zwischen den beiden Sequenzen A und A* im Hairpin stabiler, was zur Folge hat, dass das Hybridisierungsgleichgewicht auf die linke Seite zur geschlossenen Form des Hairpin verlagert ist (Fig. 39A). Wird zur Hybridisierung also eine markierte Probe A verwendet, bedeutet dies, dass kein oder nur ein geringes Signal detektierbar ist, da das Gleichgewicht auf der Seite des geschlossenen Hairpins liegt. Signale werden nur detektierbar, wenn die Hairpinstruktur im geöffneten Zustand vorliegt, d. h. eine stabile Paarung zwischen A in der zu untersuchenden Probe und A* im Hairpin möglich ist, und das Gleichgewicht rechts, d. h. bei einem offenen Hairpin, liegt.According to a preferred embodiment, the hairpin structures according to the invention having a recognition sequence in the star (FIGS. 38, 39A and 39B) comprise complementary sequences A and A * in the star and a linker unit L in the loop. In the loop of the hairpin there are building blocks which can not undergo base pairings (eg polyethylene glycol, alkyl, polyethylene glycol phosphate or alkyl phosphate units) or building blocks which can only accept weak base pairings (eg a Tn loop) with n = 2-8). As recognition sequences, both sequence sections A (FIG. 39B) or A * (FIG. 39A) can serve in the star. If a hybridization experiment is performed, z. For example, a sequence A located in the sample to be examined with the reference sequence A in the star of the hairpin around the sequence A * (Figure 39A). This competitive situation is used to increase the specificity of the hybridization. Is z. For example, if the sequence A in the sample is not completely complementary to A * (ie, mismatches occur), the pairing between the two sequences A and A * is more stable in the hairpin, with the result that the hybridization equilibrium is on the left side is displaced to the closed shape of the hairpin (Fig. 39A). If a labeled sample A is used for hybridization, this means that no or only a small signal is detectable, since the equilibrium lies on the side of the closed hairpin. Signals become detectable only when the hairpin structure is in the open state, i. H. a stable pairing between A in the sample to be examined and A * in the hairpin is possible, and the equilibrium on the right, d. H. with an open hairpin, lies.
Somit wird neben gebräuchlichen Variablen der Stringenzbedingungen, wie z. B. Salzkonzentration, Temperatur, Sonden- und Target-Konzentration, eine weitere Variable
eingeführt, mit der Einfluss auf die Stringenz eines Hybridisierungsexperimentes genommen werden kann. Des Weiteren kann das Hybridisierungsgleichgewicht (und damit die Stringenz) der Referenz- Sonde bzw. der Erkennungssequenz u. a. dadurch variiert werden, dass diese Sequenzen Bausteine von Nukleinsäure-Analoga enthalten, die sich dadurch auszeichnen, dass diese stärker mit DNA binden, als DNA mit DNA. Hierfür kommen u. a. PNA- oder LNA- Bausteine oder andere dem Fachmann bekannte Bausteine mit den beschriebenen Charakteristika in Frage.Thus, in addition to common variables of stringency conditions, such. Salt concentration, temperature, probe and target concentration, another variable introduced, with the impact on the stringency of a hybridization experiment can be taken. Furthermore, the hybridization equilibrium (and thus the stringency) of the reference probe or of the recognition sequence can be varied, inter alia, by virtue of the fact that these sequences contain building blocks of nucleic acid analogues which are characterized in that they bind more strongly with DNA than DNA with DNA , For this purpose, inter alia, PNA or LNA building blocks or other components known to those skilled in the art with the described characteristics come into question.
Durch das beschriebene Vorgehen wird erreicht, dass im Gegensatz zum üblichen Vorgehen (Verwendung von 1 Perfect-Match- + 1 Single-Base-Mismatch-Sonde) für die Diskriminierung zwischen Perfect-Match und Single-Base-Mismatch nur eine einzige Sonde verwendet werden muss, und somit Stellplätze auf dem Array eingespart werden können bzw. mehr Informationen mit einer vorgegebenen Menge an Stellplätzen abgefragt werden kann. Des Weiteren können hierdurch auch terminale Mismatche abgefragt werden, da durch Anwesenheit der Referenzsequenz im gleichen Molekül höhere Stringenzbedingungen eingestellt werden können, als wenn für die Diskriminierung von Perfect-Match und Single-Base-Mismatch 2 separate Sonden verwendet werden.The procedure described achieves that, in contrast to the usual procedure (using 1 Perfect Match + 1 single base mismatch probe), only a single probe is used for the discrimination between Perfect match and single base mismatch must, and thus parking spaces on the array can be saved or more information can be queried with a predetermined amount of parking spaces. Furthermore, this can also be queried terminal mismatches, since by the presence of the reference sequence in the same molecule higher stringency conditions can be set than when used for the discrimination of Perfect match and single-base mismatch 2 separate probes.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfassen die Hairpin-Strukturen zwei komplementäre Sequenzen (A, A*) und zwei nicht komplementäre Einheiten (Z, X) im Stern und eine Linker-Einheit (L) im Loop (Fig. 40). Als Erkennungssequenzen können sowohl die der Festphase nahe Sequenzabfolge A-Z (Fig. 40A) als auch die der Festphase ferne Sequenzabfolge A+-Z (Fig. 40B) dienen. Von entscheidender Bedeutung ist die Tatsache, dass X und Z nicht miteinander paaren. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass es sich bei X um einen oder mehrere paarungsfähige Nukleinsäure-Bausteine und bei Z um eine oder mehrere nicht- paarungsfähige Bausteine handelt. Z kann beispielsweise eine "Abasie site" (DNA- oder RNA- Baustein ohne Heterobase) oder ein dem Fachmann bekannter Baustein sein, der zwar keine Basenpaarung eingeht, aber die DNA-Struktur nicht stört. Unter L ist ein Linker zu verstehen, der vorzugsweise aus nicht paarungsfähigen Nukleinsäure-Bausteinen, so z. B. Polyethylenglykolphosphat-Einheiten (R. Micura, Angew. Chemie, 2000, 39(5), 922 ff.) oder Bausteinen, die nur schwache Basenpaarungen eingehen können (z. B. ein Tn Loop mit n = 2-8), besteht. Hierdurch wird erreicht, dass besonders terminale Mismatche besser detektierbar werden. Dies erfolgt dadurch, dass in dieser Ausführungsform (Fig. 40A) dem Target A- X* weitere Basen zur Paarung zur Verfügung stehen, jedoch der Referenz A-Z nicht. Das bewirkt, dass das Gleichgewicht zwischen geschlossener Form des Hairpins (links) vorteilhaft auf die rechte Seite (offener Hairpin) verschoben wird, wenn eine zusätzliche Basenpaarung vom Target
A-X* mit dem Sequenzbereich X im Hairpin erfolgen kann. Treten Fehlpaarungen zwischen Target A-X* und dem Sequenzbereich X im Hairpin auf, ist dies nicht der Fall, und das Gleichgewicht wird nicht verstärkt auf die rechte (offene) Seite verschoben.In another preferred embodiment, the hairpin structures comprise two complementary sequences (A, A *) and two non-complementary units (Z, X) in the star and one linker unit (L) in the loop (Figure 40). As recognition sequences, both the solid phase near sequence sequence AZ (FIG. 40A) and the solid phase remote sequence sequence A + -Z (FIG. 40B) can serve as recognition sequences. Of crucial importance is the fact that X and Z do not mate with each other. For this purpose, it is proposed according to the invention that X is one or more nucleic acid building blocks which can be coupled and Z is one or more non-combinable building blocks. Z may be, for example, an "abasie site" (DNA or RNA building block without heterobase) or a building block known to the person skilled in the art, which does not undergo base pairing but does not disturb the DNA structure. L is a linker to understand, preferably from non-pairable nucleic acid building blocks, such. Polyethylene glycol phosphate units (R. Micura, Angew. Chemie, 2000, 39 (5), 922 et seq.) Or building blocks which can only undergo weak base pairings (eg a Tn loop with n = 2-8), consists. This ensures that particularly terminal mismatches are better detectable. This is done in that, in this embodiment (Figure 40A), more bases are available for pairing with the target A-X *, but the reference AZ is not. This causes the equilibrium between closed hairpin shape (left) to be favorably shifted to the right side (hairpin open) when additional base pairing from the target AX * can be done with the sequence area X in the hairpin. If there are mismatches between the target AX * and the sequence area X in the hairpin, this is not the case, and the balance is not shifted to the right (open) side.
Durch Vorhandensein zusätzlicher paarungsfähiger Abschnitte X in der Hairpinstruktur des Rezeptors, die mit dem nachzuweisenden Analyten komplementär sind, kann somit dieBy the presence of additional mating sections X in the hairpin structure of the receptor, which are complementary to the analyte to be detected, thus can
Stringenz des Hybridisierungexperiments weiter erhöht werden (Fig. 4OA und 40B). Auch hier können Nukleinsäure-Analoga, wie zuvor beschrieben, Verwendung finden, die stärker mit DNA binden, als DNA mit DNA.Stringency of the hybridization experiment can be further increased (Fig. 4OA and 40B). Again, nucleic acid analogs, as previously described, may find use that bind more to DNA than DNA to DNA.
In einer weiteren Ausführungsform kann Z auch das Gemisch der 4 Basen Adenosin, Guanosin, Cytidin und Thymidin bzw. Uracil sein.In another embodiment, Z may also be the mixture of the 4 bases adenosine, guanosine, cytidine and thymidine or uracil.
In noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Hairpin-Struktur eine im geschlossenen Zustand zumindest teilweise gequenchte Markierungsgruppe, z. B. einen Fluorophor. Durch Auflösung der Hairpinstruktur nimmt das von der Markierungsgruppe stammende Signal zu und man weist diese Signalzunahme nach. So enthält eine erfindungsgemäße Hairpin-Struktur (Fig. 41) beispielsweise einen Quencher (Q) und einen Fluorophor (F), die sich an entgegengesetzten Enden der Nukleinsäure-Sequenz des Hairpins befinden. Erfindungsgemäß ist die Fluoreszenz im geschlossenen Hairpin durch die räumliche Nähe von Q und F gelöscht. Im geöffneten Zustand ist Fluoreszenz detektierbar. Molekül- Kombinationen Q und F sind dem Fachmann hinreichend bekannt. In noch einer weiteren Ausführungform kann die Hybridisierung auch mit doppelsträngigen Targets erfolgen (Fig. 42). Sind beide Stränge markiert, kann somit die für einen Stellplatz detektierbare Leuchtintensität verstärkt werden.In yet another embodiment, the hairpin structure includes an at least partially quenched label group in the closed state, e.g. B. a fluorophore. By resolution of the hairpin structure, the signal originating from the marker group increases and this signal increase is detected. For example, a hairpin structure of the invention (Figure 41) includes, for example, a quencher (Q) and a fluorophore (F) located at opposite ends of the nucleic acid sequence of the hairpin. According to the invention, the fluorescence in the closed hairpin is quenched by the spatial proximity of Q and F. When opened, fluorescence is detectable. Molecular combinations Q and F are well known to those skilled in the art. In yet another embodiment, the hybridization can also be carried out with double-stranded targets (FIG. 42). If both strands are marked, the luminous intensity detectable for a parking space can thus be increased.
In einer weiteren Ausführungform kann die Trägeranbindung der Hairpinstrukturen sowohl vom Typ A (Erkennungssequenz im Loop) als auch vom Typ B (Erkennungssequenz im Stern) nicht nur terminal, sondern auch intern erfolgen (Fig. 43). Es werden hiermit auch intern an den Träger gebundene Hairpinstrukturen vom Typ A offenbart. Auch Kombinationen von terminal und intern immobilisierten Rezeptoren auf einen Träger sind möglich.In another embodiment, the carrier connection of the hairpin structures of both type A (recognition sequence in the loop) and of type B (recognition sequence in the star) can be carried out not only terminally but also internally (FIG. 43). It also discloses hairpin structures of type A bound internally to the wearer. Combinations of terminally and internally immobilized receptors on a support are possible.
Eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik wird in einer Ausführungsform besonders dadurch erzielt, dass die erfindungsgemäße Hairpinstruktur die Erkennungssequenz im Stem beinhaltet. Der zur Erkennungssequenz komplementäre Strang wird als Referenz- Sequenz zur Mismatch-Diskriminierung verwendet. Bei einem Hybridisierungsexperiment konkurriert eine in der Probenlösung vorhandene Target-Sequenz mit der Referenz-Sequenz (A*) um die Sondensequenz (A). Ist es erwünscht, kann die Stringenz durch Einbau von besonderen Nukleinsäure-Bausteinen (PNA, LNA) im Referenz-Strang weiter gesteigert werden.
Das heißt, es wird nur eine Hybridisierung erfolgen - d. h. der Hairpin in die offene Form wechseln - wenn die in der Probenlösung vorhandene Targetsequenz exakt komplementär zur Sondensequenz ist. Ist dies nicht der Fall, sorgt die im Hairpin integrierte Referenzsequenz dafür, dass der Hairpin nicht in die offene Form wechselt, und somit keine Hybridisierung mit einer Targetsequenz erfolgen kann.An improvement over the prior art is achieved in one embodiment in particular by the hairpin structure according to the invention comprising the recognition sequence in the stem. The complementary sequence to the recognition sequence is used as a reference sequence for mismatch discrimination. In a hybridization experiment, a target sequence present in the sample solution competes with the reference sequence (A *) for the probe sequence (A). If desired, stringency can be further enhanced by incorporation of particular nucleic acid building blocks (PNA, LNA) in the reference strand. This means that only one hybridization will take place - ie the hairpin will change to the open form - if the target sequence present in the sample solution is exactly complementary to the probe sequence. If this is not the case, the hairpin built-in reference sequence ensures that the hairpin does not switch to the open form, and thus can not be hybridized with a target sequence.
Des Weiteren erlaubt die erfindungsgemäße Hairpinstruktur die Diskriminierung von terminalen Basenfehlpaarungen. Diese werden über die Hybridisierung der Targetsequenz an dieFurthermore, the hairpin structure according to the invention allows the discrimination of terminal base mismatches. These are the hybridization of the target sequence to the
Position X möglich. Basenpaarungen komplementär zur terminalen Position X entscheiden darüber, ob der Hairpin verstärkt in die offene Form wechselt und daraus resultierend ein Hybridisierungs-Ereignis detektiert werden kann.Position X possible. Base pairings complementary to the terminal position X decide whether the hairpin increasingly changes to the open form and as a result a hybridization event can be detected.
Dies hat zur Folge, dass im Gegensatz zu herkömmlichen DNA-Arrays für dieAs a result, unlike traditional DNA arrays for the
Entscheidung, ob es sich um einen "füll match" oder "mismatch" handelt, wesentlich wenigerDeciding if it is a "filling match" or "mismatch" is much less
Sequenzen aufgebracht werden müssen. Daraus resultiert, dass mit der a priori gegebenen maximalen Stellplatzdichte eines Array mehr unterschiedliche Targetsequenzen bearbeitet werden können. Dies steigert die Informationsdichte des Arrays signifikant.Sequences must be applied. As a result, with the a priori given maximum parking space density of an array more different target sequences can be edited. This significantly increases the information density of the array.
Durch Inkorporation von Fluoreszenz-(F)- oder/und Quencher-(Q)-Bausteinen in die erfindungsgemäße Hairpinstruktur lässt sich außerdem eine markierungsfreie Detektion von DNA-Arrays erreichen (Fig. 41).Incorporation of fluorescence (F) or / and quencher (Q) building blocks into the hairpin structure according to the invention also makes it possible to achieve label-free detection of DNA arrays (FIG. 41).
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit Verwendung der oben beschriebenen Sonden mit Sekundärstrukturen und Hairpins wird ein integriertes System zurIn a further embodiment of the invention using the above-described probes with secondary structures and hairpins is an integrated system for
Bestimmung von Analyten bereitgestellt, welches eine hochparallele m-szYw-Herstellung komplexer Populationen von Hairpin-Rezeptoren immobilisiert in Mikrostrukturen zumDetermination of analytes provided that highly parallel m-szYw production of complex populations of hairpin receptors immobilized in microstructures for
Nachweis von Analyten erlaubt.Detection of analytes allowed.
Hierzu verwendet man günstigerweise eine Vorrichtung, umfassend: a) eine Lichtquellenmatrix, b) einen mikrofluidischen Träger mit mehreren vorbestimmten Positionen, an denen jeweils unterschiedliche Rezeptoren ausgewählt aus Nukleinsäuren und Nukleinsäureanaloga auf dem Träger immobilisiert sind, wobei in einem oder mehreren der vorbestimmten Bereiche die Rezeptoren in Abwesenheit eines damit spezifisch bindefähigen Analyten zumindest teilweise als Sekundärstruktur vorliegen, c) Mittel zur Zufuhr von Fluids zum Träger und zur Ableitung von Fluids aus dem Träger und d) eine Detektionsmatrix, umfassend mehrere Detektoren, die den vorbestimmten Bereichen auf dem Träger zugeordnet sind.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen vorzugsweise zwei beliebige oder drei beliebige oder alle vier der Komponenten a), b), c) und d) in integrierter Form vor. Besonders bevorzugt ist der Träger zwischen Lichtquellenmatrix und Detektionsmatrix angeordnet. DieConveniently, a device is used for this purpose, comprising: a) a light source matrix, b) a microfluidic carrier having a plurality of predetermined positions, on each of which different receptors selected from nucleic acids and nucleic acid analogs are immobilized on the carrier, wherein in one or more of the predetermined regions the receptors c) means for supplying fluids to the carrier and for discharging fluids from the carrier, and d) a detection matrix comprising a plurality of detectors associated with the predetermined regions on the carrier. In the device according to the invention, preferably any two or three or all four of the components a), b), c) and d) are present in integrated form. Particularly preferably, the carrier is arranged between the light source matrix and the detection matrix. The
Detektoren der Detektionsmatrix sind vorzugsweise aus Photodetektoren oder/und elektronischen Detektoren, z. B. Elektroden, ausgewählt.Detectors of the detection matrix are preferably photodetectors and / or electronic detectors, eg. As electrodes selected.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur gesteuerten in-situ- Synthese von Nukleinsäuren, z. B. DNA/RNA-Oligomeren benutzt werden, wobei als temporäre Schutzgruppen photochemische, fluidchemische, oder/und elektronisch abspaltbare Schutzgruppen, verwendet werden können. Die orts- oder/und zeitaufgelöste Rezeptorsynthese kann durch gezielte Ansteuerung von Elektroden in der Detektionsmatrix, gezielte Fluidzufuhr in definierte Bereiche oder Bereichsgruppen auf dem Träger oder/und gezielte Belichtung über die Lichtquellenmatrix erfolgen.The device according to the invention can be used for the controlled in situ synthesis of nucleic acids, eg. As DNA / RNA oligomers can be used as temporary protective groups photochemical, fluid chemical, and / or electronically cleavable protecting groups can be used. The spatially or / and time-resolved receptor synthesis can be carried out by targeted control of electrodes in the detection matrix, targeted fluid supply to defined areas or area groups on the support and / or targeted exposure via the light source matrix.
Alle dreidimensionalen und ganz oder teilweise gesteuerten oder ganz oder teilweise ungesteuerten Sekundär- und dreidimensionalen Polymersonden-Strukturen können für Bindungsstudien und die erfindungsgemäßen mehrstufigen molekularbiologischen Prozesse in der Art eingesetzt werden, dass die Bindung von Proteinen, Peptiden, Zellen, Zellfragmenten, Organellen, Sacchariden, niedermolekularen Wirkstoffen, komplexen Molekülen, Nanopartikeln, synthetischen Organismen oder Molekülen oder Zellen aus der synthetischen Biologie analysiert und ggf. optimiert wird. Daraus kann in einer Ausführungsform die Untersuchung der Bindung von Proteinen aus Zellextrakten oder m-vz7ro-Herstellung abgeleitet werden, deren Bindungsmuster auf einem Set an Sequenzmotiven untersucht wird. Dieses Set an Sequenzmotiven kann aus einem Set an Bindungsstellen für Transkriptionsfaktoren bestehen. Des Weiteren kann dieses Set aus hypothetischen oder empirisch validierten Bindungsstellen bestehen. Auch eine Mischung aus hypothetischen oder empirisch validierten Bindungsstellen kann vorgesehen sein.All three-dimensional and fully or partially controlled or wholly or partially uncontrolled secondary and three-dimensional polymer probe structures can be used for binding studies and the multistep molecular biological processes of the invention such that the binding of proteins, peptides, cells, cell fragments, organelles, saccharides, Low molecular weight drugs, complex molecules, nanoparticles, synthetic organisms or molecules or cells from synthetic biology are analyzed and possibly optimized. From this, in one embodiment, the investigation of the binding of proteins from cell extracts or m-vz7ro production can be deduced whose binding pattern is examined on a set of sequence motifs. This set of sequence motifs can consist of a set of binding sites for transcription factors. Furthermore, this set may consist of hypothetical or empirically validated binding sites. A mixture of hypothetical or empirically validated binding sites may also be provided.
In einer weiteren Ausführungsform werden die dreidimensionalen und ganz oder teilweise gesteuerten oder ganz oder teilweise ungesteuerten Sekundär- und dreidimensionalen Polymersonden-Strukturen für Bindungsstudien und die erfindungsgemäßen mehrstufigen molekularbiologischen Prozesse in der Art eingesetzt, dass damit die Bindungsmuster von microRNA, anderen nicht proteinkodierenden RNA-Molekülen oder teilweise aus RNA, teilweise aus Proteinen oder Peptiden bestehenden Komplexen mit den doppelsträngigen Hairpin-Strukturen, anderen Strukturen oder aus den Hairpin-Strukturen abgeleiteten Doppelsträngen auf dem Reaktionsträger untersucht und ggf. durch Marker an den Analyten erfasst werden.
In einer anderen Ausführungsform kann als Teil des mehrstufigen molekularbiologischen Prozesses eine FRET-Reaktion erzeugt und für die weitere Analyse oder Informationserfassung genutzt werden. Der FRET-Effekt kann durch eine Polymersonde- und Target- Wechselwirkung hervorgerufen werden. Um eine lokale Anregung der Fluoreszenz zu ermöglichen, wird ein Akzeptor- oder Donor-Molekül an die aufgebauten Polymersonden gekoppelt. Dies kann während der Synthese geschehen (durch die Bausteine) oder nach der Synthese, z.B. mit Reagenzien wie Cis-Platin (siehe z.B. KREATECH ULS-Cy5). Das Probengut trägt die entsprechende andere Markierung, um den FRET zu ermöglichen, z.B. die Paarung Cy5/Cy3 oder Phycoerythrin, oder einen zum Donor passenden Quencher. Eine Energieübertragung kann nur in der Nähe der Oberfläche stattfinden, so dass Eigenfluoreszenz der Lösung oder nicht gebundenes, freies markiertes Probengut keine störende Hintergrundfluoreszenz verursacht. In einer Ausführungsform, die man z.B. in der Genotypisierung von Nukleinsäuren verwenden kann, kann die Sonde mit freiem 3 '-Ende den Fluoreszenz- Akzeptor darstellen, und durch eine wie oben beschriebene Polymerase-Reaktion (z.B. eine Primer Extension) oder eine andere Enzymreaktion (z.B. eine Ligation) wird an dem gebundenen Komplex oder an der Polymersonde selber ein passender Donor (EX) angehängt, der den FRET ermöglicht. Das „Big Dye"-Prinzip für „four-color sequencing" kann auf diese Weise ermöglicht werden. Ein Donor- Excitermolekül (Fluorescein etc.) wird angeregt und überträgt seine Energie auf die durch Primer Extension angehängten ddNukleotid-Farbstoff-Moleküle. In einer anderen Ausführungsform mit FRET wird die FRET-Reaktion ermöglicht durch Einbau von Akzeptor- und Donor-Molekül- Paaren im Probengut nach oder während der Anlagerung an die Polymersonde, z.B. während bzw. durch eine Primer-Extension-Reaktion. Dies führt in dieser Variante zu hohen Markierungsdichten, so dass viele FRET-Übertragungen ablaufen können. Ein besonderer Vorteil liegt in einer Ausführungsform mit Kombination aus FRET und CCD-Detektion, denn diese ermöglicht die direkte Detektion des Reaktionsverlaufs.In a further embodiment, the three-dimensional and wholly or partially controlled or wholly or partially uncontrolled secondary and three-dimensional polymer probe structures for binding studies and the multistep molecular biological processes of the invention are used in such a way that thus the binding pattern of microRNA, other non-protein-coding RNA molecules or partially from RNA, partially consisting of proteins or peptides existing complexes with the double-stranded hairpin structures, other structures or derived from the hairpin structures double strands on the reaction carrier and possibly detected by markers on the analyte. In another embodiment, as part of the multistep molecular biology process, a FRET reaction can be generated and used for further analysis or information gathering. The FRET effect can be caused by a polymer probe and target interaction. To allow local excitation of the fluorescence, an acceptor or donor molecule is coupled to the assembled polymer probes. This can be done during the synthesis (by the building blocks) or after the synthesis, eg with reagents like Cis-Platin (see eg KREATECH ULS-Cy5). The sample carries the corresponding other label to enable the FRET, eg the pairing Cy5 / Cy3 or phycoerythrin, or a quencher matching the donor. Energy transfer can only take place near the surface, so that autofluorescence of the solution or unbound, freely labeled sample material does not cause any disturbing background fluorescence. In one embodiment, which can be used eg in the genotyping of nucleic acids, the probe with free 3 'end can be the fluorescence acceptor, and by a polymerase reaction as described above (eg a primer extension) or another enzyme reaction ( eg a ligation), an appropriate donor (EX) is attached to the bound complex or to the polymer probe itself, which enables the FRET. The "big-dye" principle for "four-color sequencing" can be enabled in this way. A donor exciter molecule (fluorescein, etc.) is excited and transfers its energy to the primer extension-attached dd nucleotide dye molecules. In another embodiment with FRET, the FRET reaction is made possible by incorporation of acceptor and donor molecule pairs in the sample after or during attachment to the polymer probe, eg, during or through a primer extension reaction. In this variant, this leads to high marking densities, so that many FRET transmissions can take place. A particular advantage lies in an embodiment with a combination of FRET and CCD detection, since this allows the direct detection of the course of the reaction.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden in oder auf einem Reaktionsträger Polymersonden immobilisiert. Dies kann kovalent oder nicht-kovalent erfolgen. Diese Polymersonden sind aus Nukleinsäuren oder deren Analoga aufgebaut. An diesen Polymersonden wird die zu untersuchende Probe, die aus mindestens 2 Nukleinsäure- Sequenzen besteht, durch Hybridisierung immobilisiert. Bei der erfindungsgemäßen gesteuerten Beladung einzelner Reaktionsfelder mit bestimmten unterschiedlichen Polymersonden kann die Spezifität der nachfolgenden Anlagerung von Nukleinsäuren aus der Probe durch die Sequenz beeinflusst werden. So kann ein Reaktionsträger beispielsweise die 3' oder 5' Sequenzmotive aller Exons einer Genfamilie oder eines ganzen Genoms adressieren. Im nächsten Schritt kann noch eine
Amplifikation auf dem Reaktionsträger erfolgen. In dem dann folgenden Schritt wird durch eine enzymatische Reaktion die Abfolge der Bausteine entlang der gebundenen Nukleinsäuren aus der Probe ermittelt. Dies kann direkt an den Nukleinsäuresträngen aus der Probe oder durch deren Amplifikate oder durch die komplementäre Sequenz nach einer Primer Extension an den Polymersonden erfolgen. Verfahren für die Ermittlung der Bausteine entlang der Nukleinsäurestränge sind dem Fachmann u.a. unter dem Fachbegriff „ sequencing by synthesis" bekannt. Dazu werden als Enzyme unter anderem Polymerasen, Kinasen und Ligasen verwendet. Technische Ausführungsformen sind von den Firmen Agencourt, 454 und Solexa vorgestellt worden. Allen diesen Verfahren ist ein Endpunkt der Entschlüsselungsreaktion gemein, bei dem die Reaktion keine ausreichend genaue Unterscheidung korrekter von anderen Signalen und damit keine eindeutige Zuordnung mehr erlaubt, z.B. verursacht durch unspezifische Nebenreaktionen. Damit ist eine erste Runde in dem Entschlüsselungsverfahren erfolgt.In another embodiment of the invention, polymer probes are immobilized in or on a reaction support. This can be covalent or non-covalent. These polymer probes are constructed of nucleic acids or their analogs. On these polymer probes, the sample to be examined, which consists of at least 2 nucleic acid sequences, is immobilized by hybridization. In the controlled loading of individual reaction fields according to the invention with certain different polymer probes, the specificity of the subsequent attachment of nucleic acids from the sample can be influenced by the sequence. For example, a reaction support can address the 3 'or 5' sequence motifs of all exons of a gene family or an entire genome. In the next step can still one Amplification carried out on the reaction carrier. In the following step, the sequence of the building blocks along the bound nucleic acids from the sample is determined by an enzymatic reaction. This can be done directly on the nucleic acid strands from the sample or through their amplicons or through the complementary sequence following primer extension on the polymer probes. Methods for the determination of the building blocks along the nucleic acid strands are known to the person skilled in the art, inter alia, under the term "sequencing by synthesis." For this purpose, among others, polymerases, kinases and ligases are used as enzymes Technical embodiments have been presented by the companies Agencourt, 454 and Solexa. Common to all these methods is an end point of the decryption reaction in which the reaction does not allow a sufficiently accurate differentiation of correctly correct signals from other signals and therefore no unambiguous assignment, eg caused by nonspecific side reactions, thus leading to a first round in the decryption process.
Im weiteren Verfahren, eventuell nach einem Kalibrier-, Reinigungs- oder Initialisierungsschritt, wird ein Gemisch von mindestens 2 kurzen Nukleinsäuresträngen zugegeben. Diese kurzen Nukleinsäurestränge haben eine ähnliche Funktion wie ein Primer- Molekül in der PCR Reaktion. Sie dienen einer zweiten Runde der unterschiedlichen Ausführungsformen der Entschlüsselungsreaktion entlang der gebundenen Nukleinsäuren aus der Probe. Die Sequenz der kurzen Nukleinsäurestränge, die eine ähnliche Funktion wie ein Primer-Moleküle in der PCR Reaktion ausführen, kann schon vor der ersten Runde der Entschlüsselungsreaktion entlang der gebundenen Nukleinsäuren bestimmt worden sein. In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform wird diese Sequenz abgestimmt auf die Ergebnisse der ersten Runde der Entschlüsselungsreaktion. Dem Fachmann ist in diesem Zusammenhang aus den konventionellen Sequenzierverfahren das „primer Walking" bekannt. Bei dem hier beschriebenen Verfahren als eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein hochparalleles Primer Walking an 2 oder mehr Nukleinsäuren aus der Probe mittels 2 oder mehr kurzen Nukleinsäuren mit Sequenzen, die anhand der für die 2 oder mehr Nukleinsäuren aus der Probe ermittelten Sequenz gewählt werden. Es kann in einer Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Sequenzermittlung der zweiten Runde zunächst noch ein kurzes Sequenzmotiv umfasst, das auch schon in der ersten Runde ermittelt wurde, um daraus ein Qualitätsmerkmal abzuleiten.In the further process, possibly after a calibration, purification or initialization step, a mixture of at least 2 short nucleic acid strands is added. These short nucleic acid strands have a similar function as a primer molecule in the PCR reaction. They serve a second round of the different embodiments of the decryption reaction along the bound nucleic acids from the sample. The sequence of short nucleic acid strands that perform a similar function as a primer molecule in the PCR reaction may have been determined prior to the first round of the decryption reaction along the bound nucleic acids. In a preferred alternative embodiment, this sequence is tuned to the results of the first round of the decryption reaction. The skilled person is familiar in this connection from the conventional sequencing methods "primer walking." The method described here as a particularly preferred embodiment of the invention is a highly parallel primer walking on 2 or more nucleic acids from the sample by means of 2 or more short Nucleic acids having sequences which are selected on the basis of the sequence determined for the 2 or more nucleic acids from the sample It may be provided in one embodiment that the sequence determination of the second round initially comprises a short sequence motif which also already determined in the first round to derive a quality characteristic from it.
Es ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass die kurzen Nukleinsäuren aus einem parallelen Syntheseverfahren stammen. Solche parallelen Syntheseverfahren sind dem Fachmann aus dem Fachbereich der Biochips und Microarrays bekannt. Dort gibt es elektrochemische, optisch gesteuerte und fluidisch gesteuerte Verfahren zur Herstellung von 2
oder mehr Nukleinsäuresequenzen auf einem Träger. Beansprucht wird hier die erfindungsgemäße Verwendung von 2 oder mehr Nukleinsäuresequenzen aus einem parallelen Herstellverfahren, bei dem die 2 oder mehr Nukleinsäuresequenzen entweder auf einem gemeinsamen Träger hergestellt oder in einem Prozess hergestellt werden, bei dem mindestens in einem Schritt 2 oder mehr Reaktionsstellen für die Herstellung der 2 oder mehr Nukleinsäuresequenzen gleichzeitig mit einem Reagenz in Kontakt gebracht werden. Beispiele für solche parallelen Herstellverfahren für 2 oder mehr Nukleinsäuresequenzen für das erfindungsgemäße Verfahren sind DNA Microarrays, die mittels Photolithographie, Projektortechnik, LED Technik, emittierenden Halbleiterbauelementen oder LCOS Projektion hergestellt werden. Außerdem sind Beispiele Herstellverfahren, die eine direkte Photochemie verwenden, sowie Herstellverfahren, die eine indirekte Photochemie, wie lichtinduzierte Basen oder Säuren verwenden. Weitere Beispiele sind elektrochemische Verfahren. Außerdem ist hier auf fluidische Verfahren verwiesen, die entweder die Bausteine geordnet auf einen Träger aufbringen (Printing Technologie, Druckertechnik) oder die die Reagenzien der Synthese selektiv aufbringen.It is provided in a preferred embodiment that the short nucleic acids originate from a parallel synthesis process. Such parallel synthesis methods are known to those skilled in the art of biochips and microarrays. There are electrochemical, optically controlled and fluidically controlled processes for the production of 2 or more nucleic acid sequences on a carrier. Claimed here is the use according to the invention of two or more nucleic acid sequences from a parallel production process, in which the two or more nucleic acid sequences are either produced on a common carrier or prepared in a process in which at least one step comprises two or more reaction sites for the production of 2 or more nucleic acid sequences are simultaneously contacted with a reagent. Examples of such parallel preparation methods for 2 or more nucleic acid sequences for the method according to the invention are DNA microarrays, which are produced by means of photolithography, projector technology, LED technology, emitting semiconductor components or LCOS projection. In addition, examples are fabrication methods using direct photochemistry and fabrication methods using indirect photochemistry such as light-induced bases or acids. Further examples are electrochemical processes. In addition, reference is here made to fluidic methods, which either apply the building blocks to a carrier (printing technology, printing technology) or selectively apply the reagents of the synthesis.
In einer Variante des „Parallelen Primer Walking" kann die Immobilisierung der Nukleinsäuren aus der Probe auch direkt an der festen Phase erfolgen, z.B. an Beads oder Partikeln, auf einem Reaktionsträger, einem Objektträger, oder in einer Gelschicht. Dann erfolgt die anschließend eine erste Runde der Entschlüsselungsreaktion, gefolgt von der oben beschriebenen zweiten Runde. Dazwischen können weitere Prozessschritte erfolgen.In a variant of the "parallel primer walking", the immobilization of the nucleic acids from the sample can also take place directly on the solid phase, for example on beads or particles, on a reaction support, on a microscope slide or in a gel layer, followed by a first round the decryption reaction, followed by the second round described above, in between which further process steps may be taken.
6.16 Mehrere verschiedene Sonden werden pro Position des Reaktionsträgers synthetisiert6.16 Several different probes are synthesized per position of the reaction carrier
Durch Verwendung orthogonaler chemischer Methoden zur Herstellung der Moleküle im Reaktionsträger ist es möglich, pro für die Synthese adressierbarer Lokation mehr als nur eine Sequenz einer bestimmten Molekülart zu synthetisieren. So können zum Beispiel zwei zueinander passende, hybridisierfähige Moleküle auf einer Lokation hergestellt werden, die aneinander binden und ein Hybrid bilden. Dies können zum Beispiel ein DNA-Doppelstrang oder Doppelstränge aus Nukleinsäureanaloga oder -derivaten sein. Bevorzugt ist die Synthese von DNA Oligonukleotiden oder derivatisierten DNA Oligonukleotiden oder DNA Oligonukleotid-Analoga mit unterschiedlichen Sequenzen auf einer Lokation. Es können dabei 2, 3, 4, 5, oder 6 unterschiedliche Sequenzen pro für die Synthese adressierbarer Lokation synthetisiert werden. Die synthetisierten Moleküle können dabei mit unterschiedlicher Gesamt- Oberflächenkonzentration oder unterschiedlichen individuellen Oberflächenkonzentrationen synthetisiert werden. Das Stoffmengenverhältnis der unterschiedlichen Moleküle ist dabei
variabel. Es können z.B. für die Herstellung solcher Lokationen, die DNA-Oligonukleotide oder derivatisierte DNA-Oligonukleotide oder DNA-Oligonukleotid-Analoga mit unterschiedlichen Sequenzen enthalten, zunächst unterschiedliche Bausteine mit zueinander orthogonalen chemischen Schutzgruppen aufgebracht werden, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Das Verhältnis dieser Bausteine ist frei wählbar und beträgt bevorzugt 10/1, 9/1, 8/1, 7/1, 6/1, 5/1, 4/1, 3/1, 2/1, 1/1 oder umgekehrt, kann aber auch zwischen diesen Werten (1/1 - 10/1) liegen. Es wird nun eine Art der an die Oberfläche aufgebrachten zueinander orthogonal geschützten Bausteine selektiv entschützt, also die Schutzgruppe abgespalten, wodurch nur diese eine Art von Baustein für eine Weiterreaktion zur Verfügung steht. Es wird nun an diesen entschützten Bausteinen eine Sequenz von DNA-Oligonukleotiden oder derivatisierten DNA- Oligonukleotiden oder DNA-Oligonukleotid-Analoga nach dem Fachmann bekannten Methoden der Nukleinsäure-Festphasensynthese aufgebaut und anschließend wiederum geschützt. Diese Schützung ist dabei orthogonal zu den Entschützungsbedingungen der anderen zuvor an die Oberfläche des Reaktionsträgers zueinander orthogonal geschützten geknüpften Bausteine. Es wird nun eine andere Art dieser zuvor an die Oberfläche des Reaktionsträgers geknüpften Bausteine entschützt, wobei andere Schutzgruppen im Reaktionsträger bevorzugt nicht mit abgespalten werden. Es steht nun nur diese eine Art von Baustein für eine Weiterreaktion zur Verfügung. Es wird nun an diesen entschützten Bausteinen eine zweite Sequenz von DNA- Oligonukleotiden oder derivatisierten DNA-Oligonukleotiden oder DNA-Oligonukleotid- Analoga nach dem Fachmann bekannten Methoden der Nukleinsäure-Festphasensynthese aufgebaut. Dieser Prozess kann für jede einzelne Art von zuvor an die Oberfläche des Reaktionsträgers geknüpften, zueinander orthogonal geschützten Bausteine wiederholt werden und so mehrere unterschiedliche Sequenzen an einer Lokation hergestellt werden.By using orthogonal chemical methods to produce the molecules in the reaction support, it is possible to synthesize more than one sequence of a particular type of molecule for each addressable location for the synthesis. For example, two mating hybridisable molecules can be made at a location that bind together and form a hybrid. These may be, for example, a DNA duplex or duplexes of nucleic acid analogs or derivatives. Preferred is the synthesis of DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogs having different sequences at a location. It can be synthesized 2, 3, 4, 5, or 6 different sequences per addressable for the synthesis location. The synthesized molecules can be synthesized with different total surface concentrations or different individual surface concentrations. The molar ratio of the different molecules is thereby variable. For example, for the production of such locations containing DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogs having different sequences, first of all different building blocks with mutually orthogonal chemical protective groups can be applied, as known to the person skilled in the art. The ratio of these components is arbitrary and is preferably 10/1, 9/1, 8/1, 7/1, 6/1, 5/1, 4/1, 3/1, 2/1, 1/1 or vice versa, but can also be between these values (1/1 - 10/1). It is now a kind of selectively applied to the surface of mutually orthogonally protected building blocks deprotected, so cleaved the protective group, whereby only this is a kind of building block for a further reaction available. A sequence of DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogues is then synthesized on these deprotected building blocks according to methods of nucleic acid solid phase synthesis known to the person skilled in the art and subsequently protected again. This protection is orthogonal to the conditions of deprotection of the other knotted building blocks which have previously been orthogonally protected against each other on the surface of the reaction support. It is now deprotected another type of this previously linked to the surface of the reaction carrier blocks, with other protecting groups in the reaction medium are preferably not cleaved with. It is now only this one kind of building block for a further reaction available. A second sequence of DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogs is then synthesized on these deprotected building blocks according to methods of nucleic acid solid phase synthesis known to those skilled in the art. This process can be repeated for each individual type of previously mutually orthogonally protected building blocks linked to the surface of the reaction support, thus producing several different sequences at a location.
6.17 Sonden mit labilem Linker werden im Reaktionsträger synthetisiert6.17 Lable linker probes are synthesized in the reaction support
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Moleküle an der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisiert, die über eine unter bestimmten Bedingungen spaltbare Einheit (labiler Linker, labiler Spacer) an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebunden sind. Es können durch bestimmte Methoden nun diese Einheiten gespalten werden und so die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle von der Oberfläche abgelöst werden. Die Abspaltung kann dabei zum Beispiel ausgelöst werden durch Veränderungen der Temperatur, des pH- Wertes, durch Einstrahlen von Licht und/oder durch Zugabe von Chemikalien wie z.B. Säuren, Basen, Nukleophilen, Elektrophilen, Radikalen, Ionen oder Katalysatoren, Enzymen und anderen. Die Geschwindigkeit der Abspaltungsreaktion kann dabei gesteuert werden und der
vollständige Umsatz der Spaltungsreaktion kann Stunden und/oder Tage dauern. Die Abspaltungsreaktion wird vorzugsweise so durchgeführt, dass sie simultan mit einem analytischen Verfahren im Reaktionsträger durchgeführt wird. So kann zum Beispiel eine enzymatische Reaktion im Reaktionsträger durchgeführt werden, während ein Teil der Moleküle langsam von der Oberfläche abgespalten wird und erst dann dem Enzym als Reaktions- oder Bindungspartner oder als Substrat zur Verfügung steht. Es kann so während der Reaktion die Zufuhr der Moleküle gesteuert werden. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, die Geschwindigkeit der Reaktion oder die Menge an gebildetem Endprodukt zu steuern. Das abspaltbare Molekül kann vorzugsweise ein DNA-Oligonukleotid oder derivatisiertes DNA- Oligonukleotid oder DNA-Oligonukleotid-Analogon sein, das als Primer in einer Enzymreaktion im Reaktionsträger dann fungieren kann, wenn es abgespalten wird. Es können besonders bevorzugt auch Enzyme für eine Spaltung verwendet werden. Dem Fachmann sind mehrere Verfahren bekannt, die Enzyme wie Uracil-DNA-Glycosylase (UNG, UDG) nutzen, um DNA- Oligonukleotide oder derivatisierte Oligonukleotide oder Oligonukleotid-Analoga zu spalten.In a further preferred embodiment, molecules are synthesized on the surface of the reaction support which are bound to the surface of the reaction support via a unit which can be cleaved under certain conditions (labile linker, labile spacer). By means of certain methods, these units can now be cleaved and the molecules synthesized on the surface of the reaction support can be detached from the surface. The cleavage can be triggered, for example, by changes in the temperature, the pH, by irradiation of light and / or by addition of chemicals such as acids, bases, nucleophiles, electrophiles, radicals, ions or catalysts, enzymes and others. The speed of the cleavage reaction can be controlled and the Complete conversion of the cleavage reaction may take hours and / or days. The cleavage reaction is preferably carried out so that it is carried out simultaneously with an analytical method in the reaction carrier. Thus, for example, an enzymatic reaction can be carried out in the reaction support, while a part of the molecules is slowly split off from the surface and only then the enzyme is available as a reaction or binding partner or as a substrate. It can be controlled during the reaction, the supply of molecules. This makes it possible, for example, to control the rate of the reaction or the amount of final product formed. The cleavable molecule may preferably be a DNA oligonucleotide or derivatized DNA oligonucleotide or DNA oligonucleotide analog which may act as a primer in an enzyme reaction in the reaction support when cleaved off. It is also particularly preferred to use enzymes for cleavage. Several methods are known to those of skill in the art utilizing enzymes such as uracil DNA glycosylase (UNG, UDG) to cleave DNA oligonucleotides or derivatized oligonucleotides or oligonucleotide analogs.
6.18 PCR im Reaktionsträger: Steuerung der Bindungsereignisse über kovalente Verknüpfung teilnehmender Moleküle mit dem Reaktionsträger6.18 PCR in the reaction support: Control of the binding events via covalent linkage of participating molecules with the reaction support
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden Reaktionen für eine Amplifikation im Reaktionsträger durchgeführt, wie sie dem Fachmann bekannt sind. Insbesondere können dabei die unter 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 und 6.21 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Bevorzugt ist dabei eine PCR, bei der auf der Oberfläche des Reaktionsträgers gebundene DNA Oligonukleotide oder derivatisierte DNA- Oligonukleotide oder DNA-Oligonukleotid-Analoga als Primer fungieren. Figuren 20-22 illustrieren diese Anwendungen und zeigen Daten von erfolgreich durchgeführten PCR- Reaktionen auf der Oberfläche des Reaktionsträgers. Es können dabei Primer verwendet werden, die wie unter 6.16 beschrieben, auf der gleichen für die Synthese adressierbaren Lokation vorliegen. Bevorzugt kommen dabei 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Primer pro Lokation zum Einsatz. Besonders bevorzugt sind dabei 2 Primer. Diese Primer können dabei kovalent mit der Oberfläche des Reaktionsträgers so verknüpft werden, dass sie gerade nicht mehr aneinander binden können. Es können somit keine dem Fachmann bekannten Primer-Dimere, weder Homodimere noch Heterodimere, während der PCR gebildet werden. Werden nun längere Moleküle in den Reaktionsträger zugegeben, die an die Primer binden können und als Templat in der PCR dienen können, werden die Primer von einer Polymerase verlängert und erreichen dabei
eine Länge, die eine Bindung eines zweiten Primers in Gegenrichtung erlaubt. Ohne Zugabe längerer Moleküle findet diese Primerverlängerung nicht statt. Es ist nach einem zweiten Verlängerungsschritt eine PCR möglich, bei der alle Primer und alle bis auf die ursprünglich zugegebenen längeren, als Templat fungierenden Moleküle kovalent mit der Oberfläche des Reaktionsträgers verknüpft sind. Es können zwischen verschiedenen adressierbaren Lokationen somit keine Kreuzreaktionen oder Interaktionen zwischen Primern, Templatmolekülen, Substraten oder Produkten der PCR-Reaktion entstehen. Die einzigen diffusionsfähigen Bestandteile der Reaktionsmischung sind in diesem Fall Enzyme, Nukleotide und weitere dem Fachmann bekannte Pufferbestandteile, nicht aber Oligonukleotide oder andere Nukleinsäuren, die im Gemisch enthalten sind. In einer bevorzugten Ausführungsform befinden sich zwei Primer mit unterschiedlichen Sequenzen auf einer Lokation, die jeweils spezifisch an bestimmte Sequenzen in komplexen Probengemischen binden. Als komplexe Probengemische werden dabei vorzugsweise teilweise oder vollständig aufgereinigte oder unaufgereinigte fragmentierte oder unfragmentierte genomische DNA oder teilweise oder vollständig aufgereinigte oder unaufgereinigte fragmentierte oder unfragmentierte RNA-Extrakte aus Probenmaterial verwendet. Die Primer sind wie bei einer dem Fachmann bekannten PCR dabei gegenläufig und befinden sich nach Bindung am gewünschten Probenmolekül nicht mehr als 20000 Nukleotide voneinander entfernt. Ein Primer bindet dabei an den dem Fachmann bekannten sense-Strang der Probenmoleküle, der andere an den antisense-Strang. In einer bevorzugten Ausführungsform wird durch Kombination von Hybridisierungsund Waschschritten erreicht, dass die gewünschten Probenmoleküle an die Primer binden und im Reaktionsträger zurückgehalten werden, ungewünschte hingegen durch Waschen entfernt werden, so dass die Komplexität des Probengemisches durch diesen Prozess vermindert werden kann. Es kann dann eine sogenannte Primer Extension mittels der an die gewünschten Probenmoleküle gebundenen Primer durchgeführt werden. Dabei werden die Primer soweit verlängert, dass sie als Templat für weitere, gegenläufige Primer dienen können. Es wird nun in einer Weise stringent gewaschen, dass alle nicht kovalent an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebundenen Bestandteile der Mischung aus dem Reaktionsträger entfernt werden. Anschließend werden dem Fachmann bekannte, für eine PCR notwendige Bestandteile in den Reaktionsträger eingebracht und eine PCR durchgeführt. Figuren 26 und 27 illustrieren diese Ausführungsform. Insgesamt stellt diese Strategie eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da in der Regel unvermeidliche, unerwünschte Wechselwirkungen unterbunden werden, wie sie bei dem Fachmann bekannten Multiplex-PCRs auftreten. Hierzu zählen Fehlhybridisierungen von Primern an Probenmolekülen (d.h. an unerwünschten Stellen) und unter den Primern
untereinander (Primer-Dimere). Ohne dass eine vorherige bioinformatische Berechnung von Primern (z.B. für das Ausschließen von Primer-Dimeren) notwendig ist, können in solchen Systemen Primer-Dimere faktisch nicht mehr auftreten, da die Primer durch ihre kovalente Bindung an die Oberfläche nicht mehr miteinander binden können. Während der PCR sind alle Primer, Templatmoleküle und durch die PCR gebildeten Produkte, die untereinander, mit Primern oder Templatmolekülen hybridisieren können, kovalent an die Oberfläche gebunden und dadurch voneinander isoliert. Es entstehen so auf den einzelnen Lokationen auf der Oberfläche des Reaktionsträgers einfache Systeme aus wenigen Primern und kovalent an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebundenen Molekülen, die durch die Verlängerung dieser Primer entstanden sind und als Templat für weitere Primer der Lokation dienen können. Es ist so möglich, viele Tausend oder Hunderttausende einzelne, voneinander isolierte PCRs im Reaktionsträger durchzuführen, ohne dass unerwünschte Kreuzreaktionen zwischen den einzelnen PCRs auftreten können. Als einzige lösliche und frei diffundierende Komponenten befinden sich im Reaktionsträger die dem Fachmann bekannten Bestandteile einer PCR Reaktion wie Pufferbestandteile, Enzyme, Bausteine wie Triphosphate usw., nicht aber spezifische Nukleinsäuren oder Derivate.In a further preferred embodiment, reactions for an amplification in the reaction carrier are carried out, as are known to the person skilled in the art. In particular, the methods described under 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 and 6.21 can be used. A PCR is preferred in which DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogs bound on the surface of the reaction support act as primers. Figures 20-22 illustrate these applications and show data from successful PCR reactions on the surface of the reaction support. It is possible to use primers which, as described under 6.16, are present at the same addressable location for the synthesis. Preferably, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 primers per location are used. Particularly preferred are 2 primers. These primers can be covalently linked to the surface of the reaction support in such a way that they can no longer bond to one another. Thus, no primer dimers known to those skilled in the art, neither homodimers nor heterodimers, can be formed during the PCR. If longer molecules are added to the reaction carrier which can bind to the primers and serve as a template in the PCR, the primers are extended by a polymerase and reach thereby a length that allows binding of a second primer in the opposite direction. Without the addition of longer molecules this primer extension does not take place. After a second extension step, a PCR is possible in which all primers and all but the originally added longer template molecules are covalently linked to the surface of the reaction support. Thus, no cross-reactions or interactions between primers, template molecules, substrates or products of the PCR reaction can arise between different addressable locations. The only diffusible components of the reaction mixture in this case are enzymes, nucleotides and other buffer constituents known to the person skilled in the art, but not oligonucleotides or other nucleic acids which are contained in the mixture. In a preferred embodiment, two primers with different sequences are located at one location, each binding specifically to particular sequences in complex sample mixtures. Partially or completely purified or unpurified fragmented or unfragmented genomic DNA or partially or completely purified or untreated fragmented or unfragmented RNA extracts from sample material are preferably used as complex sample mixtures. As in the case of a PCR known to the person skilled in the art, the primers are in opposite directions and after binding to the desired sample molecule are not more than 20000 nucleotides apart. One primer binds to the sense strand of the sample molecules known to those skilled in the art, and the other to the antisense strand. In a preferred embodiment, it is achieved by combining hybridization and washing steps that the desired sample molecules bind to the primers and are retained in the reaction carrier, whereas undesired ones are removed by washing, so that the complexity of the sample mixture can be reduced by this process. It is then possible to perform a so-called primer extension by means of the primers bound to the desired sample molecules. The primers are extended so far that they can serve as a template for further, opposite primers. It is then stringently washed in a manner that all non-covalently bound to the surface of the reaction carrier components of the mixture are removed from the reaction medium. Subsequently, those skilled in the art, necessary for a PCR components are introduced into the reaction carrier and carried out a PCR. Figures 26 and 27 illustrate this embodiment. Overall, this strategy represents a significant improvement over the prior art, since usually unavoidable, unwanted interactions are prevented, as occur in multiplex PCRs known in the art. These include mis-hybridization of primers to sample molecules (ie, unwanted sites) and among the primers with each other (primer dimers). Without the need for prior bioinformatic calculation of primers (eg for the exclusion of primer dimers), primer dimers can in fact no longer occur in such systems since the primers can no longer bind to one another by virtue of their covalent bonding to the surface. During PCR, all primers, template molecules, and PCR-generated products that can hybridize to each other, with primers or template molecules, are covalently bound to the surface and thereby isolated from each other. This results in the individual locations on the surface of the reaction carrier simple systems of a few primers and covalently bound to the surface of the reaction carrier molecules that are formed by the extension of these primers and can serve as a template for other primers of the location. It is thus possible to carry many thousands or hundreds of thousands of individual PCRs isolated from one another in the reaction carrier without undesired cross-reactions occurring between the individual PCRs. The only soluble and freely diffusing components in the reaction carrier are the components of a PCR reaction known to the person skilled in the art, such as buffer constituents, enzymes, building blocks such as triphosphates etc., but not specific nucleic acids or derivatives.
6.19 Quantitative (allelspezifische) Echtzeit-PCR6.19 Quantitative (allele-specific) real-time PCR
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden PCR-Reaktionen im Reaktionsträger unter Beteiligung von auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten, als Primer fungierenden Molekülen durchgeführt. Der Fortschritt der Reaktion, d.h. die Menge an während der PCR Reaktion synthetisierten Nukleinsäure wird während der Reaktion durch bestimmte Methoden beobachtet. Hierzu werden z.B. dem Fachmann bekannte Verfahren verwendet, wie der Einsatz von Molecular Beacons, Scorpion Primern, Intercalatoren, Minor- Groove-Bindern, Sunrise Primern und ähnlichem. Es wird dabei an verschiedenen Zeitpunkten während der PCR-Reaktion ein Signal ausgelesen, z.B. ein Fluoreszenzsignal.In a further preferred embodiment, PCR reactions are carried out in the reaction support with participation of molecules which are synthesized on the surface of the reaction support and function as primers. The progress of the reaction, i. the amount of nucleic acid synthesized during the PCR reaction is monitored during the reaction by certain methods. For this, e.g. methods known to those skilled in the art, such as the use of molecular beacons, Scorpion primers, intercalators, minor groove binders, sunrise primers, and the like. A signal is read out at different times during the PCR reaction, e.g. a fluorescent signal.
Dieses Signal kann dann zur Quantifizierung der bestimmten, im eingesetzten Probengemisch enthaltenen Moleküle herangezogen werden. Alternativ können die Signale verwendet werden, um Aussagen über die Sequenz der in der Probe enthaltenen Moleküle zu treffen. Es können dabei zum Beispiel Mutationen aufgeklärt werden wie dem Fachmann bekannte SNPs, Deletionen oder Insertionen. Dieses Verfahren wird besonders bevorzugt in Kombination mit der unter 6.18 beschriebenen PCR-Methode eingesetzt.
6.20 Ultra-LongmersThis signal can then be used to quantify the particular molecules contained in the sample mixture used. Alternatively, the signals can be used to make statements about the sequence of the molecules contained in the sample. For example, it is possible to elucidate mutations such as SNPs, deletions or insertions known to the person skilled in the art. This method is particularly preferably used in combination with the PCR method described under 6.18. 6.20 Ultra-Longmers
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierte Moleküle als Primer verwendet. Diese werden nach spezifischer Bindung an bestimmte Templatmoleküle durch eine Primer Extension verlängert, so dass sehr lange, an die Oberfläche des Reaktionsträgers kovalent gebundene Moleküle entstehen, so genannte Ultra-Longmers. Bevorzugt kann auch eine PCR mit einem dem Fachmann bekannten Gegenprimer oder Antisense Primer durchgeführt werden, so dass die Länge der verlängerten Primer nach einer PCR durch die Lage dieses Gegenprimers definierbar ist. Nach stringentem Waschen des Reaktionsträgers wird dann ein Reaktionsträger erhalten, der lange, einzelsträngige Sondenmoleküle mit bekannten Sequenzen und optional definierten Längen enthält. Pro adressierbarer Lokation auf der Oberfläche des Reaktionsträgers wird nur eine Sequenz in hoher Reinheit erhalten. Die so entstandenen Sondenmoleküle stehen dann zur Verfügung, um gewünschte Probenmoleküle aus komplexen Probengemischen zu binden. Die Länge der Sondenmoleküle ist dabei bevorzugt 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 oder 10000 Nukleotide oder Nukleotidderivate oder Nukleotidanaloga. Besonders bevorzugt ist die beschriebene Herstellung von solchen sehr langen Sondenmolekülen an der Oberfläche des Reaktionsträgers für Sondenmoleküle, die aus DNA bestehen. Diese werden bevorzugt dafür verwendet, Sequenzen von genomischer DNA zu binden. Ergebnis dieser Syntheseschritte kann ein Array sein, der eine Vielzahl solcher Ultralongamers umfasst.In a further preferred embodiment, molecules synthesized on the surface of the reaction support are used as primers. These are extended after specific binding to specific template molecules by a primer extension, so that very long, on the surface of the reaction carrier covalently bound molecules formed, so-called ultra-Longmers. Preferably, a PCR can also be carried out with a counterprimer or antisense primer known to the person skilled in the art, so that the length of the extended primer after a PCR can be defined by the position of this counterprimer. After stringent washing of the reaction carrier, a reaction carrier is then obtained which contains long, single-stranded probe molecules with known sequences and optionally defined lengths. For each addressable location on the surface of the reaction carrier, only one sequence of high purity is obtained. The resulting probe molecules are then available to bind desired sample molecules from complex sample mixtures. The length of the probe molecules is preferably 50, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000 or 10000 nucleotides or Nucleotide derivatives or nucleotide analogs. Particularly preferred is the described preparation of such very long probe molecules on the surface of the reaction carrier for probe molecules, which consist of DNA. These are preferably used to bind sequences of genomic DNA. The result of these synthesis steps may be an array comprising a plurality of such ultralongamers.
In einer bevorzugten Ausführungsform können diese langen Fragmente genutzt werden, um z.B. synthetische Gene herzustellen. Ist eine Kopie eines Probenmaterials im Reaktionsträger durch die beschriebene Primer Extension und/oder PCR erstellt, kann der Reaktionsträger wiederum durch eine Primer Extension abgeschrieben werden und die entstandenen, nichtkovalent an den Reaktionsträger gebundenen Moleküle aus dem Reaktionsträger herausgelöst werden. Alternativ können Techniken mit einem labilen Linkermolekül wie in 6.17 beschrieben verwendet werden, die ein Ablösen der verlängerten Primermoleküle vom Reaktionsträger erlauben. Diese können verwendet werden, um längere Fragmente zu assemblieren und in der Sequenz der Moleküle kodierte RNAs oder Proteine in vitro oder in vivo zu exprimieren oder herzustellen oder ohne vorherige weitere Assemblierung in der Sequenz der Moleküle kodierte RNAs oder Proteine in vitro oder in vivo zu exprimieren oder herzustellen oder in Form von Klonen zu speichern. Durch die große Länge (100-10000 Nukleotide) der einzelnen Molekülkopien des Probenmaterials, die durch die Primer Extension generiert wurden sowie die große Zahl der individuellen Sequenzen können so Sequenzinformationen im Bereich
von 1000000 bis 1000000000 Nukleotiden auf dem Reaktionsträger abgebildet werden. Solche Reaktionsträger können mehrmals verwendet werden und stellen eine Kopie des verwendeten Probenmaterials dar. Dies kann insbesondere verwendet werden, um z.B. Fingerprints auf der Basis der DNA oder RNA-Sequenzinformation von z.B. Pathogenen, Biokampfstoffen oder anderen Organismen zu erstellen.In a preferred embodiment, these long fragments can be used to produce, for example, synthetic genes. If a copy of a sample material in the reaction carrier is prepared by the described primer extension and / or PCR, the reaction carrier can again be written off by a primer extension and the resulting noncovalently bound molecules to the reaction carrier be dissolved out of the reaction carrier. Alternatively, techniques with a labile linker molecule as described in 6.17 may be used, which allow detachment of the extended primer molecules from the reaction support. These may be used to assemble longer fragments and to express or produce in the sequence of the molecules encoded RNAs or proteins in vitro or in vivo or to express encoded RNAs or proteins in vitro or in vivo without further assembly into the sequence of the molecules or to produce or store in the form of clones. Due to the large length (100-10000 nucleotides) of the individual molecular copies of the sample material, which were generated by the primer extension as well as the large number of the individual sequences, so sequence information in the range from 1,000,000 to 1,000,000,000 nucleotides can be imaged on the reaction support. Such reaction carriers can be used several times and represent a copy of the sample material used. This can be used, in particular, for example, to generate fingerprints based on the DNA or RNA sequence information of, for example, pathogens, biofuels or other organisms.
Die an die Oberfläche des Reaktionsträgers kovalent gebundenen langen Moleküle können, da sie eine Abschrift des Probenmaterials sind, direkt im Reaktionsträger anstelle des Probenmaterials sequenziert werden und liefern damit die gleiche Sequenzinformation wie eine Sequenzierung des Probenmaterials selbst. Hierfür können dem Fachmann bekannte Methoden sowie die unter 2.3 und 6.5 beschriebenen Sequenzierungsverfahren verwendet werden. Eine Sequenzierung stellt gleichzeitig eine Qualitätssicherung des durch das Kopieren des Probenmaterials generierten Reaktionsträgers dar, die für eine weitere Nutzung des Reaktionsträgers herangezogen werden kann.The long molecules covalently bound to the surface of the reaction support can, since they are a transcript of the sample material, be sequenced directly in the reaction support instead of the sample material and thus provide the same sequence information as a sequencing of the sample material itself. For this purpose, methods known to those skilled in the art as well as those described in US Pat 2.3 and 6.5 described sequencing method can be used. A sequencing simultaneously represents a quality assurance of the reaction carrier generated by the copying of the sample material, which can be used for a further use of the reaction carrier.
6.21 Vermehrung von Molekülen durch Zusammenwirken von Polymerasen und Nukleasen im Reaktionsträger6.21 Propagation of Molecules by Interaction of Polymerases and Nucleases in the Reaction Support
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierte Moleküle als Primer verwendet. Es können dabei sogenannte Hairpin-strukturen verwendet werden, die intramolekulare Hybridisierungsbereiche besitzen, die ganz oder teilweise doppelsträngig vorliegen und ein freies 3 '-Ende aufweisen, das von einer Polymerase verlängert werden kann. Alternativ können Primermoleküle an die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle hybridisiert werden und durch eine Polymerase verlängert werden. Die Primer können zuvor durch bestimmte Methoden kovalent mit den auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Molekülen verknüpft (crosslink) werden. Dabei kann zum Beispiel Psoralen zum Einsatz kommen.In a further preferred embodiment, molecules synthesized on the surface of the reaction support are used as primers. It is possible to use so-called hairpin structures which have intramolecular hybridization regions which are completely or partially double-stranded and have a free 3 'end which can be extended by a polymerase. Alternatively, primer molecules can be hybridized to the molecules synthesized on the surface of the reaction support and extended by a polymerase. The primers may be previously covalently linked (crosslinked) to the molecules synthesized on the surface of the reaction support by certain methods. For example, psoralen can be used.
Die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Sondenmoleküle enthalten außerdem eine Erkennungssequenz für dem Fachmann bekannte Nicking Endonukleasen. Durch sequenzielle oder simultane Prozessierung des so präparierten Reaktionsträgers mit Polymerasen und Nicking Endonukleasen kann dadurch eine Amplifikation von Molekülen entstehen. Es kann nach Verlängerung des Primers oder des Hairpins durch die Nicking Endonuklease der neusynthetisierte Strang, der durch die Polymerase an den Primer geknüpft wurde, an einer Stelle zerschnitten werden. Durch den Schnitt steht der vorher verlängerte Primer wieder als Substrat für eine Polymerase zur Verfügung. Dieser wird wieder verlängert, wobei die Polymerase den vom Primer abgetrennten, vorher synthetisierten Strang verdrängt, wie es dem Fachmann als
Strand Displacement bekannt ist. Alternativ kann der Strang auch durch eine Temperaturveränderung verdrängt werden. Dieser Prozess kann wiederholt ablaufen, wodurch eine Vermehrung der von der Polymerase synthetisierten und von der Nicking Endonuklease abgeschnittenen Moleküle stattfindet. Figuren 24 und 25 illustrieren diese bevorzugte Ausführungsform. Bevorzugt können Gemische von Polymerasen und Nicking Endonukleasen verwendet werden, wodurch Neusynthese und Abschneiden der zu vermehrenden Stränge in einer Mischung in einem Reaktionsträger ablaufen können, ohne dass Mischungen ausgetauscht werden müssen. Es können dabei auch thermostabile Enzyme eingesetzt werden. Zu verwendende Enzyme sind zum Beispiel das Klenow-Fragment der E. coli DNA Polymerase I und Mutanten, wie 3'-5'-Exonuklease defiziente Mutanten, Bacillus stearothermophilus (Bst) DNA Polymerase, Phi29 DNA Polymerase, die Endonukleasen N.AlwI, N.BstNBI und andere. Die neu entstandenen Moleküle sind bevorzugt DNA-Oligonukleotide oder derivatisiertes DNA- Oligonukleotide oder DNA-Oligonukleotid-Analoga. Diese besitzen eine Länge von bevorzugt 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34,35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60,61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 110 , 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, oder 200 Nukleotiden.The probe molecules synthesized on the surface of the reaction support also contain a recognition sequence for nicking endonucleases known to those skilled in the art. By sequential or simultaneous processing of the thus prepared reaction carrier with polymerases and nicking endonucleases, thereby an amplification of molecules arise. After extension of the primer or hairpin by the nicking endonuclease, the newly synthesized strand linked by the polymerase to the primer may be cut at one site. By cutting the previously extended primer is again available as a substrate for a polymerase. This is again extended, wherein the polymerase displaces the previously synthesized strand separated from the primer, as is known to the person skilled in the art Beach displacement is known. Alternatively, the strand can also be displaced by a temperature change. This process can be repeated, which results in an increase in the molecules synthesized by the polymerase and cut off by the nicking endonuclease. Figures 24 and 25 illustrate this preferred embodiment. Preferably, mixtures of polymerases and nicking endonucleases can be used, whereby re-synthesis and truncation of the strands to be propagated can proceed in a mixture in a reaction carrier, without having to exchange mixtures. It can also be used thermostable enzymes. Enzymes to be used are, for example, the Klenow fragment of E. coli DNA polymerase I and mutants such as 3'-5 'exonuclease deficient mutants, Bacillus stearothermophilus (Bst) DNA polymerase, Phi29 DNA polymerase, the endonucleases N.AlwI, N .BstNBI and others. The newly formed molecules are preferably DNA oligonucleotides or derivatized DNA oligonucleotides or DNA oligonucleotide analogs. These have a length of preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48 , 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73 , 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98 , 99, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, or 200 nucleotides.
6.22 Crosslinking von hybridisierten Molekülen mit den im Reaktionsträger synthetisierten Sondenmolekülen6.22 Crosslinking of Hybridized Molecules with the Probe Molecules Synthesized in the Reaction Support
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden an die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle andere Moleküle gebunden und kovalent mit diesen verknüpft. Es kommen dabei unterschiedliche, dem Fachmann bekannte Methoden für das Crosslinking von Biomolekülen zum Einsatz. Bevorzugt werden dabei Nukleinsäuren miteinander verknüpft, d.h. die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle sind Oligonukleotide oder Derivate oder Analoga von DNA oder RNA. Diese werden mit in den Reaktionsträger eingebrachten Oligonukleotiden oder Derivaten oder Analoga von DNA oder RNA sequenzspezifisch hybridisiert und miteinander verknüpft. Es können dafür zum Beispiel dem Fachmann bekannte Verknüpfungsmethoden verwendet werden, die auf z.B. einer Psoralen- Einheit beruhen, oder auf Aldehyden oder Ketonen oder Radikal- oder Carben- oder Nitren- bildenden chemischen Gruppen.
6.23 Assemblierung von kurzen Sondenmolekülen zu längeren Molekülen direkt im ReaktionsträgerIn a further preferred embodiment, other molecules are bound to and covalently linked to the molecules synthesized on the surface of the reaction support. Different methods known to those skilled in the art for crosslinking biomolecules are used. Nucleic acids are preferably linked to one another, ie the molecules synthesized on the surface of the reaction support are oligonucleotides or derivatives or analogs of DNA or RNA. These are hybridized with specific oligonucleotides or derivatives or analogs of DNA or RNA introduced sequence-specific in the reaction carrier and linked together. For example, linking methods known to those skilled in the art, which are based on, for example, a psoralen unit, or on aldehydes or ketones or radical or carbene or nitrene-forming chemical groups can be used for this purpose. 6.23 Assembly of short probe molecules to longer molecules directly in the reaction support
In einer weiteren bevorzugten Ausfiihrungsform werden im Reaktionsträger synthetisierte Moleküle direkt im Reaktionsträger zu längeren Molekülen spezifisch miteinander verknüpft. Die zu verknüpfenden Moleküle können dabei chemisch auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisiert worden sein oder durch bestimmte enzymatische Methoden hergestellt worden sein. Bevorzugt liegen diese direkt nach der Synthese oder durch eine Abspaltung in löslicher Form vor und sind nicht mehr an die Oberfläche gebunden. Bevorzugt kommen dabei Methoden wie PCR, Primer Extension oder die unter 6.21 beschriebenen Methoden zum Einsatz. Es können dabei verschiedene Moleküle in definierter Reihenfolge miteinander verknüpft werden. Dies kann zum Beispiel durch zueinander komplementäre, in den Molekülen enthaltene, spezifische Bindungsstellen erfolgen. Diese Bindungsstellen bewirken eine spezifische, zunächst nichtkovalente Zusammenlagerung der Moleküle. Durch Einsatz bestimmter Enzyme wie zum Beispiel Ligasen oder Polymerasen können nun diese Moleküle kovalent miteinander verknüpft werden. Die Länge der zu verknüpfenden Moleküle kann dabei 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34,35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60,61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, oder 200 Nukleotide betragen. Bevorzugt werden dabei Oligonukleotide oder Derivate oder Analoga von DNA oder RNA verknüpft. Es entstehen dabei lange Fragmente im Bereich von hunderten bis tausenden Nukleotiden.In a further preferred embodiment, molecules synthesized in the reaction support are specifically linked together directly in the reaction support to form longer molecules. The molecules to be linked may have been chemically synthesized on the surface of the reaction carrier or prepared by certain enzymatic methods. Preferably, these are present directly after the synthesis or by a cleavage in soluble form and are no longer bound to the surface. Preference is given to using methods such as PCR, primer extension or the methods described under 6.21. Different molecules can be linked together in a defined sequence. This can be done for example by complementary, contained in the molecules, specific binding sites. These binding sites cause a specific, initially non-covalent assembly of the molecules. By using certain enzymes such as ligases or polymerases, these molecules can now be covalently linked together. The length of the molecules to be linked can be 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47 , 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72 , 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97 , 98, 99, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, or 200 nucleotides. Preferably oligonucleotides or derivatives or analogs of DNA or RNA are linked. This results in long fragments in the range of hundreds to thousands of nucleotides.
6.24 Steuerung der Assemblierung von kurzen Sondenmolekülen zu längeren Molekülen direkt im Reaktionsträger über die Stoffmengenanteile bestimmter Sondenmoleküle und ihres Standortes im Reaktionsträger6.24 Control of assembly of short probe molecules to longer molecules directly in the reaction support over the mole fraction of certain probe molecules and their location in the reaction medium
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden im Reaktionsträger synthetisierte Moleküle direkt im Reaktionsträger zu längeren Molekülen spezifisch miteinander verknüpft. Die wie unter 6.23 stattfindende Verknüpfung wird dabei durch bestimmte Eigenschaften des Reaktionsträgers gesteuert. Bevorzugt kann dabei die Stoffmenge einzelner Molekülarten relativ zu der Stoffmenge anderer Moleküle in einer Weise verändert sein, die eine bestimmte Positionierung an bestimmten Stellen im späteren, kovalent verknüpften Zielmolekül begünstigt. Besonders bevorzugt kann auch die Reihenfolge der Verknüpfung und die Position der einzelnen Moleküle im späteren, kovalent verknüpften Zielmolekül gesteuert werden, indem die einzelnen
Moleküle an adressierbaren Lokationen auf der Oberfläche des Reaktionsträgers in einer Weise synthetisiert werden, dass ihre räumliche Lage auf der Oberfläche zueinander eine gerichtete, spezifische Verknüpfung begünstigt. Es können z.B. Moleküle, die im späteren, kovalent verknüpften Zielmolekül direkt miteinander verknüpft werden sollen und dadurch nebeneinander liegen sollen, auch an benachbarten Lokationen des Reaktionsträgers synthetisiert werden. Durch physikalische Effekte wie unterschiedlich schnelle Diffusion der einzelnen Moleküle zueinander, z.B. gesteuert durch unterschiedliche Weglängen, kann auch der Zeitpunkt der Zusammenstöße und dadurch der Verknüpfung einzelner Moleküle gesteuert werden. Es können zum Beispiel einzelne Populationen sehr nah nebeneinander in inselähnlichen Gruppen synthetisiert werden und nach Ablösen oder nach dem Erstellen von löslichen, nicht mehr mit der Oberfläche verknüpften Kopien bevorzugt miteinander dadurch verknüpft werden, dass die Diffusionswege kurz sind und die Moleküle schnell zusammenstoßen. Es entstehen innerhalb der Inseln dann längere, verknüpfte Moleküle die aus relativ wenigen Einzelmolekülen zusammengesetzt sind, wodurch die Komplexität der Zusammenlagerung und Verknüpfung gering bleibt. Liegen mehrere solcher Inseln weiter voneinander entfernt als die Moleküle innerhalb einer Insel und ist z.B. die Verknüpfung vollständig und schneller als die Diffusion der unverknüpften Einzelmoleküle von Insel zu Insel, können die innerhalb einer Insel vorverknüpften Moleküle zur jeweils nächsten Insel diffundieren und auf die dortigen vorverknüpften Moleküle treffen, wonach sie mit diesen verknüpft werden. Dadurch bleibt die Zahl der Moleküle und die Komplexität während der einzelnen Verknüpfungen klein und es können stufenweise immer größere Fragmente aufgebaut werden. Durch Verwendung viskoser Lösungsmittel kann die Stärke dieses Regulationsmechanismus weiter gesteuert werden.In a further preferred embodiment, molecules synthesized in the reaction support are specifically linked together directly in the reaction support to form longer molecules. The linkage as under 6.23 is controlled by certain properties of the reaction carrier. Preferably, the amount of substance of individual types of molecules relative to the molar amount of other molecules may be altered in a manner that favors a particular positioning at specific locations in the later, covalently linked target molecule. Particularly preferably, the sequence of the linkage and the position of the individual molecules in the later, covalently linked target molecule can be controlled by the individual Molecules at addressable locations on the surface of the reaction support are synthesized in such a way that their spatial position on the surface favors each other a directed, specific linkage. For example, molecules which are to be linked directly to one another in the later, covalently linked target molecule and thus should lie next to one another can also be synthesized at adjacent locations of the reaction carrier. By physical effects such as diffusion of the individual molecules to one another at different speeds, for example controlled by different path lengths, it is also possible to control the time of the collisions and thereby the linking of individual molecules. For example, individual populations can be synthesized very close to each other in island-like groups and, after peeling or after creating soluble, non-surface-associated copies, preferentially be linked to one another by the diffusion paths being short and the molecules colliding rapidly. Within the islands longer, linked molecules are formed, which are composed of relatively few single molecules, whereby the complexity of the assembly and linking remains small. If several such islands are farther apart than the molecules within an island and, for example, is the linkage complete and faster than the diffusion of the unlinked single molecules from island to island, the molecules pre-linked within one island can diffuse to the nearest island and to the pre-linked molecules there meet what they are linked to. As a result, the number of molecules and the complexity during the individual links remain small and gradually larger fragments can be built up. By using viscous solvents, the strength of this regulatory mechanism can be further controlled.
6.25 Verwendung des Reaktionsträgers für den Nachweis von microRNAs und anderen kleinen RNAs6.25 Use of the reaction support for the detection of microRNAs and other small RNAs
In einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform werden die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Rezeptoren verwendet, um microRNAs (auch „miRNAs" genannt) und andere kleine RNAs in Probengemischen nachzuweisen. Figuren 28 bis 36 und 44 bis 53 illustrieren diese bevorzugte Ausführungsform. Die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Rezeptoren können vorzugsweise über das 5' oder das 3' Ende mit der Oberfläche verknüpft sein, so dass das freie Ende des Rezeptors vorzugsweise entweder ein 3' oder ein 5 '-Ende ist. Die Verknüpfung kann direkt oder über einen Linker erfolgen. Die Rezeptoren enthalten vorzugsweise eine oder mehrere Bindungsstellen, die spezifisch bestimmte microRNAs oder andere kleine RNAs binden, d.h mit diesen Hybridisieren. Bevorzugt sind
dabei 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 Bindungsstellen, besonders bevorzugt 1, 2 oder 3 Bindungsstellen. Die Bindungsstellen können dabei direkt aneinander grenzen oder durch kleine Zwischenbereiche vorbestimmter Länge getrennt sein. Diese Zwischenbereiche können eine Länge von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 Nukleotiden aufweisen.In a further preferred embodiment, the receptors synthesized on the surface of the reaction support are used to detect microRNAs (also called "miRNAs") and other small RNAs in sample mixtures Figures 28 to 36 and 44 to 53 illustrate this preferred embodiment The receptors synthesized on the reaction support may preferably be linked to the surface via the 5 'or 3' end, so that the free end of the receptor is preferably either a 3 'or a 5' end The linkage may be direct or via a linker The receptors preferably contain one or more binding sites that specifically bind, ie hybridize with, certain microRNAs or other small RNAs while 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 binding sites, more preferably 1, 2 or 3 binding sites. The binding sites can be directly adjacent to each other or separated by small intermediate areas of predetermined length. These intermediate regions may have a length of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 or 20 nucleotides.
Die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle sind dabei vorzugsweise Oligonukleotide oder Derivate oder Analoga von DNA oder RNA mit einer Länge von vorzugsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 110 , 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, oder 200 Einzelbausteinen wie Nukleotiden oder Derivaten oder Analoga von Nukleotiden. Die microRNAs oder andere kleinen RNAs können somit spezifisch gebunden werden und dadurch in komplexen Probengemischen durch Detektionsverfahren, wie sie dem Fachmann aus der Mikroarray Technologie bekannt sind, nachgewiesen werden. Die nachzuweisenden Moleküle können dabei vor Einbringung in den Reaktionsträger oder auch direkt im Reaktionsträger vor, während oder nach Bindung an die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle mit signalgebenden Gruppen oder Haptenen verknüpft werden, die ihre Detektion, vorzugsweise durch ein optisches Signal, ermöglichen. Es stehen dafür eine Vielzahl von dem Fachmann bekannten Methoden für die Markierung (Labeling) zur Verfügung, z.B. durch direktes Labeling mit Biotin oder Fluorophoren oder indirekt während cDNA-Synthese oder Amplifikation. Sowohl chemische als auch enzymatische Verfahren sind hierfür bekannt, z.B. basierend auf cis-Platin- Verbindungen, Periodat-Hydrazin-Labeling, T4 RNA Ligase, Poly-A-Polymerase oder Kopplung an aminomodifizierte RNAs. Die signalgebenden Gruppen können dabei insbesondere fluoreszenzaktive Gruppen sein oder Fluorophore oder dem Fachmann bekannte FRET- Quencher oder FRET-Akzeptorgruppen oder lumineszierende Gruppen. Diese können direkt eingeführt werden oder als Gruppen mit anderen chemischen Einheiten wie z.B. Dendrimeren verknüpft sein oder mit Liganden, die zuvor an die RNA angeknüpfte Haptengruppen binden. Die Figuren 28-36 und 44 bis 53 illustrieren diese bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.The molecules synthesized on the surface of the reaction support are preferably oligonucleotides or derivatives or analogs of DNA or RNA with a length of preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 , 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190, or 200 individual building blocks such as nucleotides or derivatives or Analogs of nucleotides. The microRNAs or other small RNAs can thus be specifically bound and thereby detected in complex sample mixtures by detection methods, as known to those skilled in microarray technology. The molecules to be detected can be linked with signaling groups or haptens prior to introduction into the reaction support or else directly into the reaction support before, during or after binding to the molecules synthesized on the surface of the reaction support, which enable their detection, preferably by an optical signal. A variety of labeling methods known to those skilled in the art are available for this, e.g. by direct labeling with biotin or fluorophores or indirectly during cDNA synthesis or amplification. Both chemical and enzymatic methods are known for this, e.g. based on cis-platinum compounds, periodate hydrazine labeling, T4 RNA ligase, poly-A polymerase or coupling to amino-modified RNAs. The signal-emitting groups may be in particular fluorescence-active groups or fluorophores or FRET quencher or FRET acceptor groups or luminescent groups known to the person skilled in the art. These may be introduced directly or as groups with other chemical moieties such as e.g. Linked to dendrimers or with ligands that previously bind to the RNA-linked hapten groups. Figures 28-36 and 44-53 illustrate these preferred embodiments of the present invention.
Bevorzugt kann auch eine Signalverstärkung verwendet werden, wie zum Beispiel die Einführung von einem Hapten wie Biotin, der darauffolgenden Bindung eines Konjugates aus Streptavidin und einem Fluorophor oder mehreren Fluorophoren. Optional kann daraufhin ein
weiterer Ligand gebunden werden, der seinerseits mit einem oder mehreren Haptenen oder Fluorophoren verknüpft ist, so dass eine größere Zahl von Haptenen oder Fluorophoren bindet. Es kann daraufhin ein weiterer Ligand binden, der seinerseits mit einem oder mehreren Haptenen oder Fluorophoren verknüpft ist, so dass eine größere Zahl von Haptenen oder Fluorophoren bindet. Dieser Prozess kann mehrfach erfolgen, vorzugsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 mal. Als Liganden werden dabei vorzugsweise Antikörper verwendet; als Haptene vorzugsweise Biotin oder Digoxigenin. Bevorzugt können auch Oligonukleotide als Primer in einer dem Fachmann bekannten i?o//mg-c/rc/e-Amplifikation verwendet werden, die mit Streptavidin verknüpft sind. Das Streptavidin-Biotin-Konjugat kann zuvor an Biotineinheiten gebunden haben, die zuvor an Hybride von Sondenmolekülen und Probenmolekülen angeknüpft wurden.Preferably, signal amplification may also be used, such as the introduction of a hapten such as biotin, the subsequent binding of a conjugate of streptavidin and a fluorophore or multiple fluorophores. Optionally, a another ligand bound, which in turn is linked to one or more haptens or fluorophores, so that a larger number of haptens or fluorophores binds. It may then bind another ligand, which in turn is linked to one or more haptens or fluorophores, so that a larger number of haptens or fluorophores bind. This process can be repeated several times, preferably 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 times. The ligands used are preferably antibodies; as haptens preferably biotin or digoxigenin. Preferably, oligonucleotides can also be used as primers in a known to those skilled i o // mg c / rc / e amplification, which are linked to streptavidin. The streptavidin-biotin conjugate may have previously bound to biotin units previously attached to hybrids of probe molecules and sample molecules.
Die Figuren 16 und 17 zeigen Daten von erfolgreichen Experimenten für diese bevorzugte Ausführungsform.Figures 16 and 17 show data from successful experiments for this preferred embodiment.
In ebenfalls bevorzugten Ausführungsformen werden microRNAs oder andere Analyten auf der Oberfläche des Reaktionsträgers amplifiziert. Diese Amplifikation kann eine Einzelstrangamplifikation oder eine Doppelstrangamplifikation sein. In weiter bevorzugten Ausführungsformen wird die microRNA oder ein anderer Analyt vor, während oder nach der Amplifikation wie oben beschrieben durch den Einbau markierter Bausteine nachgewiesen. In weiter bevorzugten Ausführungsformen wird die microRNA oder ein anderer Analyt durch DNA-Intercalatoren, Molecular Beacons, Taqman-Sonden und andere dem Fachmann bekannte Verfahren nachgewiesen.In likewise preferred embodiments, microRNAs or other analytes are amplified on the surface of the reaction carrier. This amplification may be a single strand amplification or a double strand amplification. In further preferred embodiments, the microRNA or another analyte is detected before, during or after the amplification as described above by the incorporation of labeled building blocks. In further preferred embodiments, the microRNA or other analyte is detected by DNA intercalators, molecular beacons, Taqman probes, and other methods known to those skilled in the art.
Die für die Bindung bestimmter miRNAs oder anderer kleiner RNAs verwendeten auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle können dabei bezüglich ihrer gewünschten Bindungsstelle oder Bindungsstellen vollständig oder nur teilweise komplementär zur Sequenz der zu bindenden RNA sein. Es können dabei zum Beispiel 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 oder 10 einzelne Basen nichtkomplementär zur Sequenz der zu bindenden RNA sein. Figur 14 zeigt Daten von erfolgreichen Experimenten, in denen in der beschriebenen Weise microRNAs in komplexen Probengemischen aus unterschiedlichen Geweben nachgewiesen wurden. Es wurden dabei Moleküle mit 1 oder 2 Bindungsstellen für die Bindung der microRNAs verwendet, die direkt aneinandergrenzten oder durch Zwischenbereiche voneinander getrennt waren und entweder vollständig komplementär zur Sequenz der zu bindenden RNA waren oder an 1, 2, oder 3 Nukleotidpositionen nichtkomplementär zur Sequenz der zu bindenden RNA. Figur 15 illustriert detaillierte Optimierungsergebnisse bezüglich der Temperatur und Pufferbedingungen für den spezifischen Nachweis einer Vielzahl von microRNAs aus einem komplexen Probengemisch.
Die Art des Probengemisches kann dabei unterschiedlich sein, es können ungereinigte oder ganz oder teilweise gereinigte Extrakte aus Zellen oder Geweben verwendet werden. Dies können zum Beispiel totale Nukleinsäureaufreinigungen, totale RNA-Aufreinigungen oder spezielle Aufreinigungen sein, die eine Anreicherung von kleinen RNAs wie z.B. microRNAs ermöglichen. Dem Fachmann sind hierfür zahlreiche Verfahren bekannt. Figur 18 zeigt Daten von erfolgreichen Experimenten, in denen in der beschriebenen Weise microRNAs aus unterschiedlichen Geweben nachgewiesen wurden. Die Komplexität der Probengemische war dabei unterschiedlich, es wurden totale RNA-Extrakte verwendet oder kleine RNAs mithilfe eines speziellen Reinigungsverfahrens zuvor angereichert. Die nachzuweisenden RNAs können auch vor einer Detektion in bestimmter Weise direkt im Reaktionsträger enzymatisch prozessiert werden. Besonders bevorzugt ist dabei eine Verlängerung der gebundenen RNAs durch eine Polymerase wie in einer dem Fachmann bekannten Primer Extension, wobei gleichzeitig eine oder mehrere signalgebende Gruppen oder Haptene mit der RNA verknüpft werden können. Dies kann bevorzugt durch den Einbau von mit signalgebenden Gruppen oder mit Haptenen modifizierten Nukleotiden durch eine Polymerase erfolgen. Die Art und Zahl der mit signalgebenden Gruppen oder Haptenen modifizierten Nukleotide kann durch die Zusammensetzung des Sondenmoleküls bestimmt werden. Dies kann bevorzugt durch eine Templatsequenz geschehen, die über die Anwesenheit bestimmter Nukleotide Art und Zahl der eingebauten Bausteine genetisch kodiert. Bevorzugt können auch Nukleasen im Reaktionsträger verwendet werden, die selektiv die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle spalten oder hydrolysieren oder verdauen, die nicht an eine RNA gebunden sind, oder selektiv die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle spalten oder hydrolysieren oder verdauen, die an eine RNA gebunden haben. Figur 28 illustriert diese bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden gewünschte, im zu untersuchenden Probengemisch vorhandene microRNAs und andere kleine RNAs spezifisch amplifiziert. Durch die Fähigkeit, eine große Zahl unterschiedlicher Sequenzen im Reaktionsträger zu erzeugen und diese als Primer zu verwenden, kann eine Vielzahl von an die jeweiligen zu amplifizierenden RNAs individuell angepassten Amplifikationsreaktionen parallel durchgeführt werden. Es steht dabei die gesamte Bandbreite der Amplifikationsreaktionen, die dem Fachmann bekannt sind, zur Verfügung. Insbesondere können dabei die unter 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 und 6.21 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Die zu untersuchenden RNAs können dabei entweder als Templat oder als Primer oder beides fungieren und/oder vor der Amplifikation mit universellen Sequenzen verknüpft werden.
In den Figuren 44 und 45 wird eine bevorzugte Ausfuhrungsform dargestellt, in der die Rezeptoren über das 5 '-Ende mit der Oberfläche des Trägers verknüpft sind. Der Hybridiserungsbereich mit der microRNA ist dabei am freien 3 '-Ende des Rezeptors positioniert. Dabei ist der Hybridisierungsbereich vorzugsweise so angeordnet, dass nach der Hybridisierung der microRNA der Rezeptor mindestens noch ein, vorzugsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 oder mehr nicht hybridisierte Rezeptorbausteine am 5 '-Ende aufweist. Dieser nicht hybridisierte 5 '-Bereich des Rezeptors weist vorzugsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, oder mehr Bausteine auf, die als Template für signalgruppenhaltige Bausteine dienen können, wie z.B. Adenine bei Verwendung von Biotin-markierten Uridinen als haptengruppenhaltigen Bausteinen. Das freie 3 '-Ende der hybridisierten microRNA dient als Primer für die sich anschließende Amplifikation. Die Amplifikation kann dabei lediglich in der einmaligen Verlängerung, vorzugsweise durch eine DNA-abhängige DNA-Polymerase, bspw. Klenow-Fragment, bestehen. Vorzugsweise werden bei dieser Amplifikation signalgruppenhaltige oder haptenhaltige Bausteine, vorzugsweise Nukleotidbausteine, eingebaut. Die Amplifikation umfasst vorzugsweise die kovalente Verknüpfung von 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 oder mehr Bausteinen. Das Ergebnis dieser Amplifikation ist bei Verwendung von Desoxynukleotidbausteinen ein RNA-DANN- Hybrid.The molecules synthesized for the binding of certain miRNAs or other small RNAs synthesized on the surface of the reaction support can be completely or only partially complementary to the sequence of the RNA to be bound with regard to their desired binding site or binding sites. For example, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 or 10 individual bases may be non-complementary to the sequence of the RNA to be bound. Figure 14 shows data from successful experiments in which microRNAs were detected in complex samples of different tissues in the manner described. Molecules having 1 or 2 binding sites were used for the binding of the microRNAs which were directly adjacent or separated by intermediate regions and were either completely complementary to the sequence of the RNA to be bound or at 1, 2 or 3 nucleotide positions not complementary to the sequence of binding RNA. FIG. 15 illustrates detailed optimization results regarding the temperature and buffer conditions for the specific detection of a multiplicity of microRNAs from a complex sample mixture. The type of sample mixture may be different, uncleaned or wholly or partially purified extracts of cells or tissues may be used. These can be, for example, total nucleic acid purification, total RNA purification or special purification, which allow enrichment of small RNAs such as microRNAs. Numerous methods are known to the person skilled in the art. Figure 18 shows data from successful experiments in which microRNAs from different tissues were detected in the manner described. The complexity of the sample mixtures was different, total RNA extracts were used or small RNAs were previously enriched using a special purification procedure. The RNAs to be detected can also be enzymatically processed directly in the reaction carrier before detection in a specific manner. Particularly preferred is an extension of the bound RNAs by a polymerase as in a primer extension known in the art, wherein at the same time one or more signaling groups or haptens can be linked to the RNA. This can preferably be done by the incorporation of signaling groups or haptens modified nucleotides by a polymerase. The type and number of nucleotides modified with signaling groups or haptens can be determined by the composition of the probe molecule. This can preferably be done by a template sequence that genetically encodes the presence of certain nucleotides type and number of built-in building blocks. It is also possible to use nucleases in the reaction support which selectively cleave or hydrolyse or hydrolyze the molecules synthesized on the surface of the reaction support which are not bound to an RNA or selectively cleave or hydrolyse or synthesize the molecules synthesized on the surface of the reaction support bound to an RNA. Figure 28 illustrates this preferred embodiment of the invention. In a particularly preferred embodiment, desired microRNAs present in the sample mixture to be examined and other small RNAs are specifically amplified. Due to the ability to generate a large number of different sequences in the reaction carrier and to use them as primers, a multiplicity of amplification reactions individually adapted to the respective RNAs to be amplified can be carried out in parallel. It is the entire bandwidth of the amplification reactions, which are known in the art available. In particular, the methods described under 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 and 6.21 can be used. The RNAs to be examined can either function as a template or as a primer or both and / or be linked to universal sequences before the amplification. FIGS. 44 and 45 show a preferred embodiment in which the receptors are linked to the surface of the carrier via the 5 'end. The hybridization region with the microRNA is positioned at the free 3 'end of the receptor. The hybridization region is preferably arranged such that after the hybridization of the microRNA the receptor is at least one, preferably 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 , 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 or more unhybridized receptor building blocks at the 5 'end. This non-hybridized 5 'region of the receptor preferably has 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, or more building blocks, which can serve as template for signal-containing building blocks, such as adenines using biotin-labeled uridines as hapten group-containing building blocks. The free 3 'end of the hybridized microRNA serves as a primer for subsequent amplification. The amplification may consist only in the single extension, preferably by a DNA-dependent DNA polymerase, eg Klenow fragment. Preferably, signal-group-containing or hapten-containing building blocks, preferably nucleotide building blocks, are incorporated in this amplification. The amplification preferably comprises the covalent linking of 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 or more building blocks. The result of this amplification is an RNA-DNA hybrid when using deoxynucleotide building blocks.
Alternative kann, wie in der Figur 46 dargestellt, der Rezeptor über das 3 '-Ende mit der Oberfläche des Trägers verknüpft werden. In diesem Fall befindet sich der Hybridisierungsbereich mit der microRNA vorzugsweise am 3 '-Ende des Rezeptors und ist vorzugsweise so angeordnet, dass nach der Hybridisierung der microRNA der Rezeptor mindestens noch ein, vorzugsweise 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 oder mehr nicht hybridisierte Rezeptorbausteine am 5'-Ende aufweist. Die Amplifikation erfolgt vorzugsweise ausgehend vom 3 '-Ende der microRNA bis zum Ende des Rezeptors. Der nicht hybridisierte 5 '-Bereich des Rezeptors wird vorzugsweise wie zuvor beschrieben ausgewählt.Alternatively, as shown in Figure 46, the receptor can be linked to the surface of the support via the 3 'end. In this case, the hybridization region with the microRNA is preferably at the 3 'end of the receptor and is preferably arranged such that after hybridization of the microRNA the receptor is at least one, preferably 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 , 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 or more non-hybridized receptor building blocks at the 5 'end. The amplification is preferably carried out from the 3 'end of the microRNA to the end of the receptor. The unhybridized 5 'region of the receptor is preferably selected as previously described.
Zur Erhöhung der Stabilität der DNA-RNA-Duplex kann der Rezeptor 2, 3, 4, 5, 6, 7, oder mehr vorzugsweise 2 Hybridisierungsbereiche aufweisen, die zu den nachzuweisenden microRNAs revers-komplementär sind. Vorzugsweise sind diese Bereiche so angeordnet, dass zwischen den hybridisierten microRNAs keine unhybridiserten Rezeptorbausteine vorliegen. Die Rezeptoren können dabei über das 3 '-Ende mit der Oberfläche des Trägers verknüpft sein (siehe Figur 47 und 49) oder können mit dem 5 '-Ende mit der Oberfläche des Trägers verknüpft sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die zwei, drei, vier oder mehr an den Rezeptor
hybridisierten microRNAs durch eine geeignete Ligase, bspw. RNA-Ligase oder T4 DNA- Ligase, kovalent verknüpft (siehe Figur 49). In dieser Ausfuhrungsform erfolgt die Amplifikation vorzugsweise nach der Ligation der microRNAs durch eine geeignete Polymerase, vorzugsweise eine DNA-abhängige DNA-Polymerase wie bspw. Klenow-Fragment. In einer weiteren Ausführungsform in der Rezeptor entweder über das 5'- oder 3 '-Ende mit der Oberfläche des Trägers verknüpft ist, wird zusätzlich zum nachzuweisenden Analyt, z.B. der microRNA eine oder zwei Ligationssonden, entweder zusammen mit dem Analyt oder vor oder nach der Hybridisierung des Analyts, an den Rezeptor hybridisiert (siehe Figur 48). Bei gleichzeitiger Zugabe, wird(werden) die Ligationssonde(n) bspw. der zu analysierenden Probe beigefügt und mit dieser vermischt. Die Ligationssonde(n) weist(en) eine Sequenz auf, die es ihr erlaubt 3' und/oder 5' von der nachzuweisenden microRNA an den Rezeptor zu hybridisieren. Vorzugsweise ist die Rezeptorsequenz und die Sequenz der Ligationssonden so gewählt, dass nach Hybridisierung der microRNA und der Ligationssonde(n) zwischen den jeweiligen freien 3' und 5 '-Enden keine unhybridisierten Rezeptorbaustein angeordnet sind. Die Ligationssonde weist mindestens eine signalgebende Gruppe oder nachweisbare Gruppe, wie bspw. ein Hapten auf und mindestens eine Gruppe, die von einer Ligase mit einer freien 3' OH-Gruppe oder 5'- Phosphatgruppe der microRNA verknüpft werden kann, bspw. eine OH-Gruppe oder eine Monophosphatgruppe. Die Ligation erfolgt vorzugsweise in einem separaten Schritt im Anschluss an die Hybridisierung mit einer geeigneten Ligase, bspw. RNA-Ligase oder T 4 DNA-Ligase. Bei Verwendung eine hitzebeständigen Ligase kann die Hybridisierung und die Ligation jedoch auch in einem Schritt erfolgen, wodurch eine Beschleunigung der Nachweisreaktion erzielt werden kann. Die Detektion der in der Ligationssonde enthaltenden Gruppe(n) erfolgt vorzugsweise nach Waschen der Oberfläche des Trägers, mit einer Stringenz, die vorzugsweise so gewählt wird, dass hybridisierte nicht ligierte microRNAs von der Oberfläche des Trägers weggewaschen werden.To increase the stability of the DNA-RNA duplex, the receptor may have 2, 3, 4, 5, 6, 7, or more preferably 2 hybridization regions that are reverse-complementary to the microRNAs to be detected. Preferably, these regions are arranged such that there are no unhybridized receptor building blocks between the hybridized microRNAs. The receptors may be linked to the surface of the support via the 3 'end (see FIGS. 47 and 49) or may be linked to the surface of the support by the 5' end. In a preferred embodiment, the two, three, four or more are attached to the receptor hybridized microRNAs are covalently linked by a suitable ligase, for example RNA ligase or T4 DNA ligase (see FIG. 49). In this embodiment, the amplification is preferably carried out after the ligation of the microRNAs by a suitable polymerase, preferably a DNA-dependent DNA polymerase such as Klenow fragment. In a further embodiment in which the receptor is linked either to the surface of the carrier via the 5 'or 3' end, in addition to the analyte to be detected, eg the microRNA, one or two ligation probes, either together with the analyte or before or after the Hybridization of the analyte hybridized to the receptor (see Figure 48). With simultaneous addition, the ligation probe (s) is, for example, added to the sample to be analyzed and mixed with it. The ligation probe (s) has a sequence that allows it to hybridize 3 'and / or 5' of the microRNA to be detected to the receptor. Preferably, the receptor sequence and the sequence of the ligation probes are chosen so that after hybridization of the microRNA and the ligation probe (s) between the respective free 3 'and 5' ends no unhybridized receptor building block are arranged. The ligation probe has at least one signal-generating group or detectable group, such as, for example, a hapten and at least one group which can be linked by a ligase to a free 3 'OH group or 5'-phosphate group of the microRNA, for example an OH group. Group or a monophosphate group. The ligation is preferably carried out in a separate step following hybridization with a suitable ligase, for example RNA ligase or T 4 DNA ligase. However, when using a heat-resistant ligase, the hybridization and the ligation can also be done in one step, whereby an acceleration of the detection reaction can be achieved. The detection of the group (s) contained in the ligation probe is preferably carried out after washing the surface of the support, with a stringency that is preferably chosen so that hybridized unligated microRNAs are washed away from the surface of the support.
In einer Variante der in Figur 48 beschriebenen Ausführungsform wird statt einer enzymatischen Verknüpfung des 3 '-Endes des Analyten, z.B. der microRNA, eine chemische Verknüpfung über geeignete aktivierte Nukleotide erreicht. Geeignete chemische Verknüpfungen wurden beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 2006/063717 beschrieben (der Inhalt dieser Anmeldung wird im Hinblick auf die Chemische Ligation vollumfänglich durch Bezug in diese Anmeldung aufgenommen). Diese Verknüpfung kann sowohl am 3' als auch am 5'-Ende des Analyten, z.B. der microRNA erfolgen. Dabei kann entweder nur ein aktiviertes Nukleotid oder ein Oligonukleotide, an dessen 3'- oder 5'-Ende ein aktiviertes Nukleotid angeordnet ist, verwendet werden (siehe Figur 50 und 51). Wenn ein
aktiviertes Oligonukleotid mit dem Analyten, insbesondere einer microRNA, verknüpft wird, wird die Sequenz so ausgewählt, dass sie komplementär zu der Rezeptorsequenz ist, die 5' und/oder 3' neben der Rezeptorsequenz angeordnet ist an die der Analyt hybridisiert ist. In diesem Fall findet zunächst eine sequenzspezifische Hybridisierung des Oligonukleotids statt gefolgt von einer chemischen Verknüpfung mit der hybridisierten microRNA. Vorzugsweise umfasst das Oligonukleotid und/oder das aktivierte Nukleotid eine signalgebende und/oder eine nachweisbare Gruppe, wie bspw. haptenhaltige Gruppen, insbesondere Biotin. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird vor, nach oder zusammen mit dem Analyten, insbesondere der microRNA ein oder zwei kurze Helferoligonukleotide an den Rezeptor hybridisiert. Das Helferoligonukleotid ist vorzugsweise 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 oder 20 Nukleotide lang und weist eine Sequenz auf, die es dem Helferoligonukleotide erlauben 3' und/oder 5' neben dem Analyten, insbesondere der microRNA zu hybridisieren. Im Anschluss an die Hybridisierung des einen oder der zwei Helferoligonukleotide und des Analyten erfolgt die chemische Ligation unter Verwendung eines aktivierten Nukleotids oder Oligonukleotids. Bei Verwendung eines aktivierten Nukleotids wird die Sequenz des Helferoligonukleotids so gewählt, dass nach der Hybridisierung ein unhybridisiertes Rezeptornukleotid zwischen den jeweiligen Enden des Helferoligonukleotids und des Analyten angeordnet ist. Bei Verwendung eines aktivierten Oligonukleotids werden die Sequenzen des Helferoligonukleotids und des Rezeptors so gewählt, dass nach der Hybridisierung des Analyten und des Helferoligonukleotids an den Rezeptor die Anzahl der unhybridisierten Rezeptornukleotide zwischen dem 3'- bzw. 5'- Ende des Helferoligonukleotids und dem 5'- bzw. 3 '-Ende des Analyten der Anzahl der Nukleotidebausteine des aktivierten Oligonukleotids entsprechen. Bei Verwendung eines Helferoligonukleotids kann dies signalgebende und/oder nachweisbare Gruppen, wie bspw. haptenhaltige Gruppen, insbesondere Biotin enthalten. In diesem Fall kann das aktivierte Oligonukleotid zusätzlich eine signalgebende und/oder nachweisbare Gruppe enthalten. Bspw. können Helferoligonukleotid und aktiviertes Nukleotid oder aktiviertes Oligonukleotid jeweils die Gruppen eines FRET-Paars enthalten, so dass nur nach erfolgter chemischer Verknüpfung des Helferoligos mit dem Analyten ein FRET-Paar vorliegt. Nach dem Schritt der chemische Ligation, der in einigen Ausfuhrungsformen zusammen mit der Hybridisierung erfolgen kann, schließt sich der Detektionsschritt an. Vorzugsweise wird vor der Detektion die Oberfläche des Trägers mit einer Stringenz gewaschen, die vorzugsweise so gewählt wird, dass hybridisierte nicht ligierte Helferoligonukleotide von der Oberfläche des Trägers abgewaschen werden.In a variant of the embodiment described in FIG. 48, instead of an enzymatic linkage of the 3 'end of the analyte, eg the microRNA, a chemical linkage via suitable activated nucleotides is achieved. Suitable chemical linkages have been described, for example, in International Patent Application WO 2006/063717 (the content of this application is incorporated herein by reference in its entirety by reference to chemical ligation). This linkage can take place both at the 3 'and at the 5' end of the analyte, for example the microRNA. In this case, either only one activated nucleotide or an oligonucleotide, at the 3 'or 5' end of which an activated nucleotide is arranged, can be used (see FIGS. 50 and 51). When a activated oligonucleotide is linked to the analyte, in particular a microRNA, the sequence is selected to be complementary to the receptor sequence located 5 'and / or 3' adjacent to the receptor sequence to which the analyte is hybridized. In this case, first a sequence-specific hybridization of the oligonucleotide takes place followed by a chemical linkage with the hybridized microRNA. Preferably, the oligonucleotide and / or the activated nucleotide comprises a signaling and / or a detectable group, such as, for example, hapten-containing groups, in particular biotin. In a particularly preferred embodiment, one or two short helper oligonucleotides are hybridized to the receptor before, after or together with the analyte, in particular the microRNA. The helper oligonucleotide is preferably 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, or 20 nucleotides in length, and has a sequence that satisfies the art Helper oligonucleotides allow 3 'and / or 5' in addition to the analyte, in particular to hybridize the microRNA. Following hybridization of the one or two helper oligonucleotides and the analyte, chemical ligation is performed using an activated nucleotide or oligonucleotide. When using an activated nucleotide, the sequence of the helper oligonucleotide is chosen so that after hybridization, an unhybridized receptor nucleotide is located between the respective ends of the helper oligonucleotide and the analyte. When using an activated oligonucleotide, the sequences of the helper oligonucleotide and the receptor are chosen so that after hybridization of the analyte and the helper oligonucleotide to the receptor, the number of unhybridized receptor nucleotides between the 3 'and 5' ends of the helper oligonucleotide and the 5 ' or 3 'end of the analyte correspond to the number of nucleotide units of the activated oligonucleotide. When using a helper oligonucleotide, this may include signaling and / or detectable groups, such as hapten-containing groups, in particular biotin. In this case, the activated oligonucleotide may additionally contain a signaling and / or detectable group. For example. For example, helper oligonucleotide and activated nucleotide or activated oligonucleotide may each contain the groups of a FRET pair, so that only after the chemical linkage of the helper oligos to the analyte a FRET pair is present. After the step of chemical ligation, which in some embodiments may occur together with hybridization, the detection step follows. Preferably, prior to detection, the surface of the support is washed with a stringency, which is preferably selected to wash off hybridized unligated helper oligonucleotides from the surface of the support.
In einer bevorzugten Ausführungsform können sich an den ersten Amplifikationsschritt oder Ligationsschritt in den zuvor beschriebenen Verfahren ein oder mehrere weitere
Amplifikationsschritte anschließen. Zu diesem Zweck kann das erste Amplifikat (siehe FigurenIn a preferred embodiment, one or more additional ones may be added to the first amplification step or ligation step in the previously described methods Connect amplification steps. For this purpose, the first amplificate (see FIGS
45 bis 47) bzw. das durch chemische (siehe Figuren 50 oder 51) oder enzymatische Ligation45 to 47) or by chemical (see Figures 50 or 51) or enzymatic ligation
(siehe Figuren 48 und 49) erzeugte Ligationsprodukt durch Erhitzung vom Rezeptor abgelöst(see Figures 48 and 49) produced ligation product by heating detached from the receptor
(denaturiert) werden. Durch die Zugabe eines oder zweier an das erste Amplifikat oder Ligationsprodukt hybridisierender Oligonukleotide (Primer) kann das Amplifikat oder das(denatured). By adding one or two oligonucleotides (primers) which hybridize to the first amplificate or ligation product, the amplificate or the
Ligationsprodukt linear (unter Verwendung eines Primers) oder exponentiell (unter Verwendung von zwei Primern) amplifiziert werden. Die Sequenz des oder der Primer wird(werden) vorzugsweise so gewählt, dass sie an den in der ersten Amplifikation oder durch die Ligation anLigation product can be amplified linearly (using a primer) or exponentially (using two primers). The sequence of the primer (s) is preferably chosen to match that in the first amplification or by the ligation
•den Analyten, insbesondere die microRNA, angefügten Teil hybridisieren. In einigen Ausführungsformen werden die oder der Primer so gewählt, dass er oder sie sowohl an den Analyten als auch an den in der ersten Amplifikation angefügten Teil bzw. den ligierten Teil hybridisieren. Hierdurch kann eine höhere Spezifität für Amplifikate bestimmter Analyte sichergestellt werden. Wenn gleichzeitig die ersten Amplifikate bzw. Ligationsprodukte unterschiedlicher Rezeptoren amplifiziert werden sollen, ist es bevorzugt, dass der oder die Primer ausschließlich an die Sequenzen hybridisieren, die durch Ligation oder die erste Amplifikation an die unterschiedlichen Analyten angefügt worden sind, da dadurch eine Amplifikationsreaktion alle unterschiedlichen ersten Amplifikate oder Ligationsprodukte amplifiziert. In bevorzugten Ausführungsformen können in dieser Amplifikationsreaktion die Primer und/oder die Nukleotidbausteine mit signalgebendenden oder nachweisbaren Gruppen markiert sein. In einem weiteren Schritt kann sich an die Amplifizierung eine Rückhybridisierung an die Rezeptoren an der Oberfläche des Trägers anschließen. Die Detektion der Amplifikate erfolgt ggf. nach einem stringenten Waschschritte an der Oberfläche des Trägers.• hybridize the analyte, in particular the microRNA, attached part. In some embodiments, the primer (s) are selected to hybridize to both the analyte and the attached portion or ligated portion in the first amplification. This can ensure a higher specificity for amplificates of certain analytes. If, at the same time, the first amplicons or ligation products of different receptors are to be amplified, it is preferred that the primer or primers hybridize exclusively to the sequences which have been added by ligation or the first amplification to the different analytes, since thereby an amplification reaction all different amplified first amplicons or ligation products. In preferred embodiments, in this amplification reaction, the primers and / or the nucleotide building blocks may be labeled with signal-donating or detectable groups. In a further step, amplification may be followed by backhybridization to the receptors on the surface of the support. The detection of the amplificates takes place, if appropriate, after a stringent washing step on the surface of the support.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich am freien Ende des Rezeptors vorzugsweise am freien 5 '-Ende des Rezeptors (siehe Figur 53) eine Cap-Gruppe. Bei Hybridisierung eines Analyten, vorzugsweise einer microRNA, in der Nähe oder am freien Ende des Rezeptors. „Cap-Gruppen" im Sinne der Erfindung interagieren mit der durch die Hybridisierung gebildeten Duplex und stabilisieren diese. Geeignete stabilisierende Cap- Gruppen sind dem Fachmann bekannt und umfassen bspw. substituierte oder unsubstituierte bicyclische oder tricyclische Aromaten oder Heteroaromaten und Stilbene, insbesondere Trans- Stilben (z.B. trans-1,2,3 Trimethoxy-5-stilben). Besonders bevorzugte Cap-Gruppen sind dazu in der Lage in die gebildete Duplex zu interkalieren und bewirken durch die Interkalation die Stabilisierung der Duplex, d.h. besonders bevorzugte Cap-Gruppen sind DNA-Interkalatoren.In a further preferred embodiment, a cap group is preferably located at the free end of the receptor at the free 5 'end of the receptor (see FIG. 53). Upon hybridization of an analyte, preferably a microRNA, near or at the free end of the receptor. "Cap groups" in the sense of the invention interact and stabilize with the duplex formed by the hybridization Suitable stabilizing cap groups are known to the person skilled in the art and include, for example, substituted or unsubstituted bicyclic or tricyclic aromatics or heteroaromatics and stilbenes, in particular trans-stilbene (eg, trans-1,2,3-trimethoxy-5-stilbene.) Particularly preferred cap groups are capable of intercalating into the formed duplex, and by intercalation, stabilize the duplex, ie, particularly preferred cap groups are DNA -Interkalatoren.
Insgesamt stellt die Ausnutzung der beschriebenen molekularbiologischen Prozessanlage
fiir die Detektion, Quantifizierung und Charakterisierung von microRNAs und anderen kleinen RNAs eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Da die Zahl der in der Natur vorkommenden kleinen RNAs wie microRNAs noch unbekannt ist und in sehr kurzen Zeiträumen immer neue RNAs entdeckt werden, ist eine Anpassung von Analyseverfahren an die jeweils vorgefundenen Bedingungen, d.h. Zahl und Art zu untersuchender RNAs zwingend notwendig. Durch die Möglichkeit, eine große Zahl unterschiedlicher Sondenmoleküle auf der Oberfläche des Reaktionsträgers in sehr kurzer Zeit zu synthetisieren und zu testen, ist es mit der beschriebenen Prozessanlage möglich, sehr schnell auf Veränderungen der zu untersuchenden Molekülarten zu reagieren und die Analyseverfahren anzupassen.Overall, the utilization of the described molecular biological process plant represents is a significant improvement over the prior art for the detection, quantification and characterization of microRNAs and other small RNAs. Since the number of naturally occurring small RNAs such as microRNAs is still unknown and new RNAs are being discovered in very short periods of time an adaptation of analytical methods to the conditions found in each case, ie the number and type of RNAs to be examined is absolutely necessary. Due to the possibility of synthesizing and testing a large number of different probe molecules on the surface of the reaction support in a very short time, it is possible with the described process equipment to react very rapidly to changes in the types of molecules to be investigated and to adapt the analysis methods.
6.26 Verwendung des Reaktionsträgers für den Nachweis und die Typisierung von Pathogenen6.26 Use of the reaction support for the detection and typing of pathogens
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Moleküle verwendet, um Mikroorganismen und/oder Pathogene nachzuweisen und zu charakterisieren. Es werden dabei bevorzugt bestimmte, für ein bestimmtes Pathogen oder einen Mikroorganismus charakteristische Nukleinsäuren selektiv von den auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Molekülen gebunden. Als Nukleinsäuren werden dabei bevorzugt Gene, mRNAs, genomische RNA oder DNA oder andere RNAs des Pathogens verwendet. Es werden außerdem auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierte Moleküle verwendet, um die Identität einzelner Nukleotide in diesen Nukleinsäuren zu analysieren. Somit können Mutationen wie Nukleotidsubstitutionen, Deletionen oder Insertionen aufgeklärt werden. Hierfür werden Verfahren verwendet, die auf der selektiven Hybridisierung von auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Molekülen beruhen. Dem Fachmann sind zahlreiche Methoden bekannt, um solche Mutationen zu detektieren. Neben der Hybridisierung, die selektiv für bestimmte Mutationen verläuft, werden noch zahlreiche weitere dem Fachmann bekannte Verfahren verwendet, die auf Enzymen beruhen. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung von Polymerasen, Nukleasen und Ligasen. In allen diesen Fällen werden die zu untersuchenden Nukleinsäuren gebunden und/oder als Substrat verwendet, wobei sich die Effizienz der vom jeweiligen Enzym katalysierten Reaktion dann verändert, wenn eine Mutation in der zu untersuchenden Nukleinsäure vorliegt. Alternativ kann sich diese Effizienz auch verändern, wenn durch Bindung der zu untersuchenden Nukleinsäure an die auf der Oberfläche des Reaktionsträgers synthetisierten Molekülen bestimmte Nukleotidpaare entstehen, die sich zum Beispiel darin unterscheiden, dass sie dem Fachmann als Watson-Crick- Basenpaaren bekannte Paare bilden oder andere Paare. Dem Fachmann sind zahlreiche
Methoden für solche Nachweisverfahren bekannt, wie APEX, allelspezifische Hybridisierung, allelspezifische Primer Extension, allelspezifische PCR, ASA, Taqman assays, Molecular Beacons, Minisequencing, SSCP-PCR, Mismatch cleavage, OLA, Branch migration assay (BMI), Pyrosequencing, Dynamic allele specific Hybridization (DASH), Multiplex Automated Primer Extension Assay, (MAPA) und viele mehr. Es können auch die unter 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 und 6.21 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Figur 19 illustriert einen solchen Assay und zeigt Daten von erfolgreichen Identifizierungen einzelner Nukleotidpositionen in einer DNA-Probe. Diese Methoden werden besonders bevorzugt eingesetzt, um Pathogenstämme voneinander zu unterscheiden und Typisierung von Pathogenen zu ermöglichen. Alle Pathogen- Spezies kommen in der Natur mit unterschiedlichen Genotypen vor, die sich häufig nur durch wenige Mutationen voneinander unterscheiden, aber unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, wie Infektionspotential, Resistenzen gegenüber bestimmten Medikamenten und viele mehr. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden gewünschte, im zu untersuchenden Probengemisch vorhandene, aus Pathogenen stammende oder selbst Pathogene darstellende Nukleinsäuren spezifisch amplifiziert. Durch die Fähigkeit, eine große Zahl unterschiedlicher Sequenzen im Reaktionsträger zu erzeugen und diese als Primer zu verwenden, kann eine Vielzahl von an die jeweiligen zu amplifϊzierenden RNAs individuell angepassten Amplifikationsreaktionen parallel durchgeführt werden. Es steht dabei die gesamte Bandbreite der Amplifikationsreaktionen, die dem Fachmann bekannt sind, zur Verfügung. Insbesondere können dabei die unter 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 und 6.21 beschriebenen Verfahren verwendet werden. Die zu untersuchenden Nukleinsäuren können dabei entweder als Templat oder als Primer oder beides fungieren und vor der Amplifikation mit universellen Sequenzen verknüpft werden.In a further preferred embodiment, the molecules synthesized on the surface of the reaction support are used to detect and characterize microorganisms and / or pathogens. Preferably, certain nucleic acids characteristic of a particular pathogen or a microorganism are selectively bound by the molecules synthesized on the surface of the reaction support. Genes, mRNAs, genomic RNA or DNA or other RNAs of the pathogen are preferably used as nucleic acids. In addition, molecules synthesized on the surface of the reaction support are used to analyze the identity of individual nucleotides in these nucleic acids. Thus, mutations such as nucleotide substitutions, deletions or insertions can be elucidated. For this purpose, methods are used which are based on the selective hybridization of molecules synthesized on the surface of the reaction support. The skilled person is aware of numerous methods for detecting such mutations. In addition to the hybridization, which proceeds selectively for certain mutations, numerous other methods known to those skilled in the art are used, which are based on enzymes. Particularly preferred is the use of polymerases, nucleases and ligases. In all these cases, the nucleic acids to be examined are bound and / or used as a substrate, wherein the efficiency of the reaction catalyzed by the particular enzyme then changes when a mutation is present in the nucleic acid to be examined. Alternatively, this efficiency may also change if, by binding the nucleic acid to be investigated to the molecules synthesized on the surface of the reaction support, certain nucleotide pairs are formed which differ, for example, in that they form pairs known to the person skilled in the art as Watson-Crick base pairs or others couples. The expert is numerous Methods for such detection methods are known, such as APEX, allele-specific hybridization, allele-specific primer extension, allele-specific PCR, ASA, Taqman assays, molecular beacons, minisequencing, SSCP-PCR, mismatch cleavage, OLA, branch migration assay (BMI), pyrosequencing, dynamic allele specific Hybridization (DASH), Multiplex Automated Primer Extension Assay, (MAPA) and many more. It is also possible to use the methods described under 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 and 6.21. Figure 19 illustrates such an assay and shows data from successful identifications of individual nucleotide positions in a DNA sample. These methods are particularly preferably used to distinguish pathogen strains from each other and to allow typing of pathogens. All pathogen species occur in nature with different genotypes, which often differ only by a few mutations, but have different properties, such as infection potential, resistance to certain drugs and many more. In a particularly preferred embodiment, desired, existing in the sample to be examined mixture of pathogen-originating or self-pathogens representing nucleic acids are specifically amplified. Due to the ability to generate a large number of different sequences in the reaction carrier and to use them as primers, a multiplicity of amplification reactions individually adapted to the respective RNAs to be amplified can be carried out in parallel. It is the entire bandwidth of the amplification reactions, which are known in the art available. In particular, the methods described under 6.1, 6.5, 6.6, 6.9, 6.15, 6.16, 6.18, 6.19, 6.20 and 6.21 can be used. The nucleic acids to be examined can either function as a template or as a primer or both and be linked before the amplification with universal sequences.
Die Molekulare Diagnostik wird heute in vielen Bereichen verwendet, um Mikroorganismen und Viren nachzuweisen und in Proben zu quantifizieren. Hierbei kommt insbesondere die quantitative Echtzeit-PCR zum Einsatz. In gängigen Arbeitsabläufen werden zum Beispiel Proben in einzelnen PCRs oder Multiplex-PCRs auf den Gehalt eines bestimmten Pathogens hin untersucht. Fällt der Test positiv aus, schließt sich eine Vielzahl von weiteren, auf quantitativer Echtzeit-PCR beruhenden Untersuchungen an, um den genauen Genotyp der Pathogenspezies aufzuklären. Dies kann zum Beispiel notwendig sein, um über die Art einer Chemotherapie zu entscheiden oder um epidemiologische Untersuchungen anzustellen oder die Populationen bestimmter Stämme zu überwachen oder das Auftreten neuer Stämme zu entdecken. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Produkte der ersten Echtzeit-PCR, die zur Detektion eines Pathogens genutzt werden, direkt verwendet, um im
Reaktionsträger eine Aufklärung des genauen Genotyps der Pathogen-Spezies aufzuklären. Der Reaktionsträger kann dabei in der Weise gestaltet werden, dass sowohl bereits bekannte als auch neue Genotypen detektiert werden können. Figur 37 illustriert diese bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung. Insgesamt stellt die Ausnutzung der beschriebenen molekularbiologischen Prozessanlage für die Detektion, Quantifizierung und Genotypisierung von Pathogenen eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar. Da die Genotypen von Pathogenen hochvariabel sind, ist eine schnelle Anpassung von Analyseverfahren an die jeweils vorgefundenen Bedingungen zwingend notwendig. Durch die Möglichkeit, eine große Zahl unterschiedlicher Sondenmoleküle auf der Oberfläche des Reaktionsträgers in sehr kurzer Zeit zu synthetisieren und zu testen, ist es mit der beschriebenen Prozessanlage möglich, sehr schnell auf Veränderungen der zu untersuchenden Proben wie Pathogenen zu reagieren und die Analyseverfahren anzupassen.Molecular diagnostics is used today in many areas to detect microorganisms and viruses and to quantify them in samples. In particular, quantitative real-time PCR is used. For example, in routine workflows, samples in individual PCRs or multiplex PCRs are assayed for the content of a particular pathogen. If the test is positive, a large number of further studies based on quantitative real-time PCR will follow to elucidate the exact genotype of the pathogen species. This may be necessary, for example, to decide on the type of chemotherapy or to conduct epidemiological investigations or to monitor the populations of certain strains or to detect the appearance of new strains. In a particularly preferred embodiment, the products of the first real-time PCR, which are used for the detection of a pathogen, are used directly in the Reaction carrier to elucidate an elucidation of the exact genotype of the pathogen species. The reaction carrier can be designed in such a way that both known and new genotypes can be detected. Figure 37 illustrates this preferred embodiment of the invention. Overall, the utilization of the described molecular biological process system for the detection, quantification and genotyping of pathogens represents a considerable improvement over the prior art. Since the genotypes of pathogens are highly variable, a rapid adaptation of analytical methods to the prevailing conditions is absolutely necessary. Due to the possibility of synthesizing and testing a large number of different probe molecules on the surface of the reaction support in a very short time, it is possible with the described process equipment to react very rapidly to changes in the samples to be examined such as pathogens and to adapt the analysis methods.
6.27 Rapid Prototyping in der beschriebenen molekularbiologischen Prozessanlage In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die beschriebene Prozessanlage genutzt, um Sondenmoleküle empirisch zu testen und damit für bestimmte Anwendungen schnell eine große Zahl geeigneter Sondenmoleküle bereitzustellen. Es ist bekannt, dass die Bindungseigenschaften von Sondenmolekülen wie z.B. Oligonukleotiden oder Derivaten oder Analoga von DNA oder RNA nicht sehr genau vorausgesagt werden können. Es existieren keine bioinformatischen Verfahren, um die Bindungsstärke und /oder Spezifität solcher Sondenmoleküle in Bezug auf gewünschte Probenmoleküle vorherzusagen. Daraus resultiert eine Notwendigkeit zum empirischen Testen von Sondenmolekülen. Es können nach einem solchen Testexperiment dann in einem „Rapid Prototyping Prozess" nach bestimmten Qualitätskriterien Sonden ausgewählt werden, die die gewünschten Bedingungen erfüllen und in späteren Experimenten weiterverwendet werden. Ist es gewünscht, eine Probe zu untersuchen, für die noch keine geeigneten oder nur begrenzt geeignete Sondenmoleküle bekannt sind, kann so in Modellexperimenten sehr schnell eine Zahl von Sonden generiert, getestet und/oder optimiert werden, die dann in späteren Experimenten für diese Art von Probe weiterverwendet werden kann. In dieser Weise bietet die hohe Flexibilität der beschriebenen mole- kularbiologischen Prozessanlage einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik. Die meisten dem Fachmann bekannten Methoden zur Erzeugung einer Vielzahl unterschiedlicher Sondenmoleküle sind entweder sehr langsam oder können dies nicht zu einem wirtschaftlich akzeptablen Preis leisten. Die hohe Flexibilität der beschriebenen Prozessanlage bietet im Gegensatz dazu die Möglichkeit, in sehr kurzer Zeit eine sehr große Zahl von
Sondenmolekülen zu einem geringen Preis zu generieren, zu testen und/oder zu optimieren, so dass schnell auf Veränderungen in der Art der zu untersuchenden Probenmoleküle reagiert werden kann, d.h. das Analyseverfahren individuell angepasst werden kann.6.27 Rapid Prototyping in the Molecular-Biological Process Plant Described In a further preferred embodiment, the process plant described is used to empirically test probe molecules and thus rapidly provide a large number of suitable probe molecules for certain applications. It is known that the binding properties of probe molecules such as oligonucleotides or derivatives or analogs of DNA or RNA can not be predicted very accurately. There are no bioinformatic methods to predict the binding strength and / or specificity of such probe molecules with respect to desired sample molecules. This results in a need for empirical testing of probe molecules. After such a test experiment, probes can then be selected in a "rapid prototyping process" according to certain quality criteria, which fulfill the desired conditions and will be used in later experiments.If it is desired to examine a sample for which no suitable or limited For example, if suitable probe molecules are known, a number of probes can be generated, tested and / or optimized very quickly in model experiments, which can then be used in later experiments for this type of sample Most systems known to those skilled in the art for producing a variety of different probe molecules are either very slow or can not afford this at an economically acceptable cost In contrast, dining equipment offers the opportunity to produce a very large number of products in a very short time To generate, test and / or optimize probe molecules at a low price, so that it is possible to react quickly to changes in the type of sample molecules to be examined, ie the analysis method can be adapted individually.
7 Experimente7 experiments
Die Erfindung wird im Folgenden durch die nachfolgenden Experimente veranschaulicht:The invention is illustrated below by the following experiments:
Für die in Figuren 4 und 5 gezeigten Daten wurden DNA-Sonden mit einer Länge zwischen 21-23 Nukleotiden analog zu publizierten Methoden in einem mikro fluidischen Reaktionsträger synthetisiert (Baum, M. et. al., Nucleic Acids Research, 2003, 31, el 51 und darin zitierte Referenzen). Es wurde dabei eine inverse Synthesechemie verwendet, so dass die Sonden mit dem 5 '-Ende an die Oberflache des Reaktionsträgers gebunden waren und ein freies 3 '-Ende aufwiesen. Für die Experimente wurde eine externe Reaktionseinheit eingesetzt, die das Befüllen und Temperieren des Reaktionsträgers ermöglicht. Der Reaktionsträger wurde mit einer Mischung aus 200 nM PCR-Produkt und 33 bis 200 μM jedes der vier dNTP (wovon 33 % des TTP durch Biotin- 16-dUTP (Roche) ersetzt war) im für die jeweilige DNA-Polymerase vom Hersteller bereitgestellten Reaktionspuffer befüllt, 5 min auf 800C erhitzt und über 20 min auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Reaktionsträger wurde für mesophile DNA-Polymerasen auf 37 0C und für thermostabile DNA -Polymerasen auf 72 0C temperiert, die Mischung wurde entfernt und der Reaktionsträger mit der gleichen Mischung, die 1 μL Enzym pro 15 μL enthielt, befüllt. Nach einer Reaktionszeit von 10 min wurde der Reaktionsträger mit 500 μL Wasser gewaschen. Der Reaktionsträger wurde innerhalb der molekularbiologischen Prozessanlage mit einer Streptavidin-Phycoerythrin enthaltenden Pufferlösung inkubiert, gewaschen und durch Fluoreszenzmessung analysiert. Für die in Figuren 6 A-D gezeigten Daten wurden DNA-Sonden wie oben hergestellt, die eine selbstkomplementäre Sequenz enthalten und dadurch eine Haarnadel struktur ausbilden, die ein gepaartes 3 '-Ende besitzt, das von einer DNA-Polymerase als Primer verwendet werden kann. Die Sonden hatten dabei eine Länge von 27 und 30 Nukleotiden, die Länge des selbstkomplementären Bereichs variierte zwischen 4-7 Nukleotiden, der Schlaufenbereich zwischen den selbstkomplementären Bereichen war jeweils eine TTTT Sequenz. Die Experimente wurden analog zu den oben beschriebenen Experimenten bzgl. Figuren 4 und 5 durchgeführt.For the data shown in Figures 4 and 5, DNA probes of 21-23 nucleotides in length were synthesized analogously to published methods in a micro fluidic reaction support (Baum, M. et al., Nucleic Acids Research, 2003, 31, el 51 and references cited therein). It was an inverse synthesis chemistry was used so that the probes were bound to the 5 'end of the surface of the reaction carrier and had a free 3' end. For the experiments, an external reaction unit was used, which allows the filling and temperature control of the reaction carrier. The reaction support was reacted with a mixture of 200 nM PCR product and 33 to 200 μM of each of the four dNTPs (of which 33% of the TTP was replaced by biotin-16-dUTP (Roche)) in the reaction buffer provided by the manufacturer for each DNA polymerase heated, heated to 80 0 C for 5 min and cooled to room temperature over 20 min. The reaction medium was heated for mesophilic DNA polymerases at 37 0 C and for thermostable DNA polymerases to 72 0 C, the mixture was removed and the reaction carrier with the same mixture, containing 1 .mu.l of enzyme per 15 .mu.l filled. After a reaction time of 10 minutes, the reaction carrier was washed with 500 μL of water. The reaction carrier was incubated within the molecular biological process plant with a streptavidin-phycoerythrin-containing buffer solution, washed and analyzed by fluorescence measurement. For the data shown in Figure 6 AD, DNA probes were prepared as above containing a self-complementary sequence and thereby forming a hairpin structure having a paired 3 'end that can be used as a primer by a DNA polymerase. The probes had a length of 27 and 30 nucleotides, the length of the self-complementary region varied between 4-7 nucleotides, the loop region between the self-complementary regions was in each case a TTTT sequence. The experiments were carried out analogously to the experiments described above with reference to FIGS. 4 and 5.
Für die in Figuren 7-9 gezeigten Daten wurden Sonden einer Länge zwischen 30 und 50 Nukleotiden synthetisiert, die verschiedene Bindungsstellen für Primer aufwiesen, so dass sich
durch Hybridisierung ein Primer-Templat-Komplex mit einem von einer DNA Polymerase kopierbaren Einzelstrangbereich bildet. Die Experimente wurden analog zu den oben beschriebenen Experimenten bzgl. Figuren 4 und 5 durchgeführt, mit der Änderung, dass statt des PCR-Produktes entsprechende Primer in einer Konzentration von 13 μM im Reaktionsgemisch vorhanden waren.For the data shown in Figures 7-9, probes of length between 30 and 50 nucleotides were synthesized which had different binding sites for primers, so that forms a primer-template complex with a single-stranded region that can be copied by a DNA polymerase by hybridization. The experiments were carried out analogously to the experiments described above with respect to Figures 4 and 5, with the change that instead of the PCR product corresponding primers in a concentration of 13 .mu.M were present in the reaction mixture.
Für die in Figur 8 gezeigten Daten wurde nach der Analyse des Reaktionsträgers durch die Fluoreszenzmessung mit Wasser bei 80 0C gewaschen und unter gleichen Bedingungen erneut analysiert.For the data shown in Figure 8, after analysis of the reaction support by fluorescence measurement with water at 80 0 C was washed and re-analyzed under the same conditions.
Für die in Figuren 14-18 gezeigten Experimente wurden 1-5 μg Gesamt-RNA mittels des dem Fachmann bekannten flashP AGE- Kits fraktioniert und aufgereinigt; oder fragmentiert und direkt weiterverwendet; oder direkt verwendet; und mittels des dem Fachmann bekannten mirVana-Kits nach Protokoll des Herstellers markiert. Die aufgereinigten, markierten RNA- Proben wurden in den Reaktionsträger eingebracht und bei bestimmten Temperaturen unter Pufferbedingungen wie in Figur 15 beschrieben inkubiert. Nach Ablauf der Inkubation wurde die Lösung aus dem Reaktionsträger entfernt. DerFor the experiments shown in Figures 14-18, 1-5 μg of total RNA was fractionated and purified by means of the flashP AGE kit known to those skilled in the art; or fragmented and used directly; or used directly; and marked by the mirVana kit known to those skilled in the art according to the manufacturer's protocol. The purified, labeled RNA samples were introduced into the reaction support and incubated at certain temperatures under buffer conditions as described in FIG. After the incubation, the solution was removed from the reaction medium. Of the
Reaktionsträger wurde innerhalb der molekularbiologischen Prozessanlage mit einer Streptavidin-Phycoerythrin enthaltenden Pufferlösung inkubiert, gewaschen und durch Fluoreszenzmessung analysiert. Optional wurde eine Signalamplifikation wie in der Figurenbeschreibung von Figuren 16 und 17 beschrieben durchgeführt (Figuren 16 und 17). Für die in Figuren 19 und 23 gezeigten Daten wurden DNA-Sonden mit einer Länge zwischen 21-50 Nukleotiden analog zu publizierten Methoden in einem mikrofluidischen Reaktionsträger synthetisiert (Baum, M. et. al., Nucleic Acids Research, 2003, 31, el51 und darin zitierte Referenzen). Es wurde dabei für die in Figur 19 gezeigten Daten eine inverse Synthesechemie verwendet, so dass die Sonden mit dem 5 '-Ende an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebunden waren und ein freies 3 '-Ende aufwiesen. Für die in Figur 23 gezeigten Daten wurde dabei eine reguläre Synthesechemie verwendet, so dass die Sonden mit dem 3 '-Ende an die Oberfläche des Reaktionsträgers gebunden waren und ein freies 5 '-Ende aufwiesen. Für die Experimente wurde eine externe Reaktionseinheit eingesetzt, die das Befüllen und Temperieren des Reaktionsträgers ermöglicht. Figur 19: Der Reaktionsträger wurde mit einer Mischung aus 200 nM PCR-Produkt undReaction carrier was incubated within the molecular biological process plant with a streptavidin-phycoerythrin-containing buffer solution, washed and analyzed by fluorescence measurement. Optionally, signal amplification was performed as described in the figure description of Figs. 16 and 17 (Figs. 16 and 17). For the data shown in Figures 19 and 23, DNA probes of between 21-50 nucleotides in length were synthesized analogously to published methods in a microfluidic reaction support (Baum, M. et al., Nucleic Acids Research, 2003, 31, el51 and references cited therein). An inverse synthesis chemistry was used for the data shown in FIG. 19, so that the probes with the 5 'end were bound to the surface of the reaction support and had a free 3' end. For the data shown in Figure 23, a regular synthetic chemistry was used, so that the probes with the 3'-end were bound to the surface of the reaction support and had a free 5 'end. For the experiments, an external reaction unit was used, which allows the filling and temperature control of the reaction carrier. FIG. 19: The reaction carrier was incubated with a mixture of 200 nM PCR product and
200 μM jedes der vier dNTP (wovon 33 % des TTP durch Biotin-16-dUTP (Roche) ersetzt war) im für die jeweilige DNA-Polymerase vom Hersteller bereitgestellten Reaktionspuffer befüllt, 5 min auf 80°C erhitzt und über 20 min auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Reaktionsträger wurde auf 68 °C temperiert, die Mischung wurde entfernt und der Reaktionsträger mit der
gleichen Mischung, die 1 μL einer Taq Polymerase pro 15 μL enthielt, befüllt. Nach einer Reaktionszeit von 15 min wurde der Reaktionsträger mit 500 μL Wasser gewaschen. Der Reaktionsträger wurde innerhalb der molekularbiologischen Prozessanlage mit einer Streptavidin-Phycoerythrin enthaltenden Pufferlösung inkubiert, gewaschen und durch Fluoreszenzmessung analysiert.200 μM of each of the four dNTP (of which 33% of the TTP had been replaced by biotin-16-dUTP (Roche)) in the reaction buffer provided by the manufacturer for each DNA polymerase, heated to 80 ° C for 5 min and to room temperature over 20 min cooled. The reaction mixture was heated to 68 ° C, the mixture was removed and the reaction carrier with the same mixture containing 1 μL of a Taq polymerase per 15 μL filled. After a reaction time of 15 minutes, the reaction carrier was washed with 500 μL of water. The reaction carrier was incubated within the molecular biological process plant with a streptavidin-phycoerythrin-containing buffer solution, washed and analyzed by fluorescence measurement.
Figur 23: Der Reaktionsträger wurde mit einer Mischung aus 13 μM eines Primers und 33 μM jedes der vier dNTP (wovon 33 % des TTP durch Biotin-16-dUTP (Roche) ersetzt war) im Reaktionspuffer „2" der Firma NEB befüllt, 5 min auf 80°C erhitzt und über 20 min auf Raumtemperatur abgekühlt. Der Reaktionsträger wurde auf 37 °C temperiert, die Mischung wurde entfernt und der Reaktionsträger mit der gleichen Mischung, die 1 μL Klenow Fragment (3'-5'-exo -) enthielt, befüllt. Nach einer Reaktionszeit von 30 min wurde der Reaktionsträger mit 500 μL Wasser gewaschen. Der Reaktionsträger wurde innerhalb der molekularbiologischen Prozessanlage mit einer Streptavidin-Phycoerythrin enthaltenden Pufferlösung inkubiert, gewaschen und durch Fluoreszenzmessung analysiert. Der Reaktionsträger wurde mit 80 °C heißem Wasser gewaschen, und es wurde die gleiche Reaktion noch einmal durchgeführt, diesmal ohne Biotin- 16-dUTP. Der Reaktionsträger wurde mit 25%iger Ammoniaklösung gewaschen, das Eluat eingetrocknet, in einer PCR-Reaktion als Templat eingesetzt, und gelelektrophoretisch untersucht.FIG. 23: The reaction support was filled with a mixture of 13 .mu.M of a primer and 33 .mu.M of each of the four dNTPs (of which 33% of the TTP was replaced by biotin-16-dUTP (Roche)) in the reaction buffer "2" from NEB, 5 The reaction mixture was heated to 37 ° C., the mixture was removed and the reaction mixture was removed with the same mixture containing 1 μL of Klenow fragment (3'-5'-exo). After a reaction time of 30 minutes, the reaction support was washed with 500 μl of water, the reaction support was incubated with a streptavidin-phycoerythrin-containing buffer solution within the molecular biological process plant, washed and analyzed by fluorescence measurement The same reaction was repeated, this time without biotin-16-dUTP The reaction carrier was washed with 25% ammonia solution , the eluate is dried, used as a template in a PCR reaction, and analyzed by gel electrophoresis.
Für die in Figuren 20-22 gezeigten Daten wurden DNA-Sonden wie für die in Figur 19 gezeigten Daten synthetisiert. Für die Experimente wurde eine externe Reaktionseinheit eingesetzt, die das Befallen und Temperieren des Reaktionsträgers ermöglicht.For the data shown in Figs. 20-22, DNA probes were synthesized as for the data shown in Fig. 19. For the experiments, an external reaction unit was used, which allows infilling and tempering of the reaction medium.
Der Reaktionsträger wurde mit einer Mischung aus 5 μM Primer, -214 pM PCR-Produkt, 200 μM jedes der vier dNTP (wovon 33 % des TTP durch Biotin- 16-dUTP (Roche) ersetzt war) und 0,1 U/ μL Taq DNA Polymerase (NEB) in 20 mM Tris-HCl pH=8,8, 10 mM KCl, 10 mM Ammoniumsulfat und 2 mM Magnesiumsulfat befüllt. Der Reaktionsträger wurde daraufhin einem Temperaturprofil ausgesetzt wie in Figur 20 aufgeführt (s = Sekunden). Nach Ablauf des Temperaturprogramms wurde die Lösung aus dem Reaktionsträger entfernt. Der Reaktionsträger wurde innerhalb der molekularbiologischen Prozessanlage mit einer Streptavidin-Phycoerythrin enthaltenden Pufferlösung inkubiert, gewaschen und durch Fluoreszenzmessung analysiert.
The reaction medium was mixed with a mixture of 5 μM primer, -214 pM PCR product, 200 μM of each of the four dNTP (of which 33% of the TTP had been replaced by biotin 16-dUTP (Roche)) and 0.1 U / μL Taq DNA polymerase (NEB) in 20 mM Tris-HCl pH = 8.8, 10 mM KCl, 10 mM ammonium sulfate and 2 mM magnesium sulfate. The reaction support was then exposed to a temperature profile as shown in Figure 20 (s = seconds). At the end of the temperature program, the solution was removed from the reaction medium. The reaction carrier was incubated within the molecular biological process plant with a streptavidin-phycoerythrin-containing buffer solution, washed and analyzed by fluorescence measurement.