ES2198486T3 - Transferencia de electrones mediada por acido nucleico. - Google Patents
Transferencia de electrones mediada por acido nucleico.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION PROPONE LA MODIFICACION COVALENTE SELECTIVA DE ACIDOS NUCLEICOS CON FRACCIONES REDOX ACTIVAS TALES COMO COMPLEJOS DE TRANSICION. FRACCIONES DONADORAS DE ELECTRONES Y ACEPTORAS DE ELECTRONES SE UNEN COVALENTEMENTE AL ESQUELETO RIBOSA-FOSFATO DE UN ACIDO NUCLEICO EN POSICIONES PREDETERMINADAS. LOS COMPLEJOS RESULTANTES REPRESENTAN UNA SERIE DE NUEVOS DERIVADOS QUE SON PLANTILLAS BIMOLECULARES CAPACES DE TRANSFERIR ELECTRONES A GRAN DISTANCIA Y CON VELOCIDADES EXTREMADAMENTE ALTAS. ESTOS COMPLEJOS POSEEN PROPIEDADES ESTRUCTURALES UNICAS QUE HACEN POSIBLE EL USO DE UNA CLASE COMPLETAMENTE NUEVA DE BIOCONDUCTORES Y SONDAS FOTOACTIVAS.
Description
Transferencia de electrones mediada por ácido
nucleico.
La presente invención se dirige la transferencia
de electrones a través de ácidos nucleicos. Más concretamente, la
invención se dirige a mejoras en la odificación de ácidos nucleicos
selectiva para un sitio con grupos de transferencia de
electrones.
La detección de secuencias de ácidos nucleicos
específicas es una herramienta importante para la investigación en
biología molecular y medicina de diagnóstico. Los ensayos con sondas
de genes actualmente tienen un papel en la identificación de
organismos infecciosos tales como bacterias y virus, en comprobar la
expresión de genes normales, y en la identificación de genes
mutantes tales como oncogenes, en tipificar tejidos según su
compatibilidad antes del transplantes de tejidos, en emparejar
muestras de tejidos y sangre en medicina forense, y para explorar la
homología entre genes de especies diferentes.
Idealmente, un ensayo con sondas de genes debería
ser sensible, específico, y fácilmente automatizable (para una
revisión, consultar Nickerson, Current Opinion in
Biotechnology 4:48-51 (1993)). El requerimiento
de sensibilidad (es decir, límites de detección bajos) ha sido
mitigado en gran medida por el desarrollo de la reacción en cadena
de la polimerasa (PCR) y otras tecnologías de amplificación que
permiten a los investigadores amplificar exponencialmente una
secuencia específica de ácido nucleico antes de su análisis (para
una revisión, consultar Abramson et al., Current Opinion
in Biotechnology 4:41-47 (1993)).
Por contra, la especificidad permanece como un
problema en muchos ensayos con sondas de genes actualmente
disponibles. El grado de complementariedad molecular entre la sonda
y la diana define la especificidad de la interacción. Las
variaciones en las concentraciones de sondas, de dianas, y de sales
en le medio de hibridación, en la temperatura de reacción, y en la
longitud de la sonda podrían alterar o influenciar la especificidad
de la interacción sonda/diana.
Podría ser posible, en algunas circunstancias
limitadas, distinguir dianas con complementariedad perfecta de
dianas con emparejamientos erróneos, aunque esto es algo
generalmente muy difícil usando la tecnología tradicional, puesto
que pequeñas variaciones en las condiciones de la reacción alterarán
la hibridación. Las nuevas técnicas experimentales para la detección
de emparejamientos erróneos incluyen los ensayos de ligación con ADN
en los que emparejamientos erróneos únicos impiden la ligación, y
los ensayos de digestión con sonda, en los que los emparejamientos
erróneos crean sitios para el corte de la sonda.
Finalmente, la automatización de los ensayos con
sondas de genes permanece como un área en la que fallan las
tecnologías actuales. Tales ensayos generalmente se basan en la
hibridación de una sonda marcada a una secuencia diana, seguida por
la separación de la sonda libre no hibridada. Esta separación se
consigue generalmente mediante electroforesis en gel o captura en
fase sólida, y lavado del ADN diana, y es generalmente bastante
difícil de automatizar fácilmente.
La naturaleza costosa en tiempo de estos pasos de
separación ha conducido a dos líneas de desarrollo distintas. Una
implica el desarrollo de técnicas electroforéticas y otras técnicas
de separación de alta velocidad y de alto rendimiento. La otra
implica el desarrollo de ensayos con sondas de genes homogéneos y
sin separación.
Por ejemplo, Gen-Probe, Inc. (San
Diego, CA) ha desarrollado un ensayo de protección homogéneo en el
que las sondas hibridadas se protegen de la hidrólisis con bases, y
son, por tanto, capaces de la subsiguiente quimioluminiscencia
(Okwumabua et al., Res. Microbiol. 143:183 (1992)).
Desafortunadamente, el que este ensayo se base en un sustrato de
quimioluminiscencia conocido por su elevada emisión de fondo de
fotones sugiere que este ensayo no tendrá una especificidad elevada.
La solicitud de la EPO con número 86116652.8
(EP-A-229.943) describe un intento
de usar la transferencia de energía no radiante, desde una sonda
donante a una sonda aceptora, como un esquema de detección
homogéneo. No obstante, la transferencia de energía de fluorescencia
está muy influenciada por ambas, la topología y topografía de la
sonda, y la propia diana de ADN es capaz de atenuar la energía
significativamente, resultando en una variabilidad considerable. Por
tanto, hay necesidad de sondas de ADN que sean específicas, capaces
de detectar emparejamientos erróneos, y que se puedan incorporar en
un sistema automatizado para la identificación de secuencias.
Tal como se ha esbozado más arriba, la biología
molecular depende bastante intensamente de oligonucleótidos
modificados o marcados para los ensayos con sonda de genes
(Oligonucleotide Synthesis: A Practical Approach. Eds. Gait
et al., IRL Press, Oxford, R.U., 1984; Oligonucleotide and
Analogues: A Practical Approach. Ed. F. Eckstein, Oxford
University Press, 1991). A resultas de esto, actualmente existen
varias técnicas para la síntesis de moléculas de ácidos nucleicos
adaptadas. Puesto que los ácidos nucleicos no contienen de forma
natural grupos funcionales a los que pudieran unirse covalente y
fácilmente las moléculas de interés, se han desarrollado
procedimientos que permiten la modificación química en uno
cualquiera de los fosfatos terminales o en las bases heterocíclicas
(Dreyes et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:968
(1985)).
Por ejemplo, pueden prepararse análogos de los
desoxirribo-y ribonucleósidos que contienen grupos
amino en la posición 2' ó 3' del azúcar usando técnicas químicas
establecidas. (Ver Imazawa et al., J. Org. Chem.
44:2039 (1979); Imazawa et al., J. Org. Chem.
43(15):3044 (1978); Verheyden et al., J. Org.
Chem. 36(2):250 (1971); Hobbs et al., J. Org.
Chem. 42(4):714 (1977)). Además, los oligonucleótidos
podrían sintetizarse con enlaces fosfoamidas 2'-5' ó
3'-5' (Beaucage et al., Tetrahedron
49(10):1925 (1992); Letsinger, J. Org. Chem. 35:3800
(1970); Sawai, Chem. Lett. 805 (19845); Oligonucleotide
and Analogues: A Practical Approach. Ed. F. Eckstein, Oxford
University Press, 1991).
La modificación de ácidos nucleicos de ha
realizado por dos razones: para crear marcadores de ADN no
radiactivos que sirvieran como sondas, y para usar ADN modificado
químicamente para obtener cortes específicos para un sitio.
Con este fin, el ADN podría marcarse para servir
como una sonda alterando un nucleótido que entonces sirve como un
análogo de remplazo en la resíntesis de la marca durante la
traducción del ADN de doble hebra. Los nucleótidos alterados
químicamente podrían proporcionar a continuación sitios reactivos
para el anclaje de marcas inmunológicas u otras marcas tales como
la biotina (Gilliam et al., Anal. Biochem. 157:199
(1986)). Otro ejemplo usa derivados de rutenio que se intercalan en
el ADN para producir fotoluminiscencia en condiciones definidas
(Friedman et al., J. Am. Chem. Soc. 112:4960
(1990)).
En la segunda categoría, hay un cierto número de
ejemplos de compuestos unidos covalentemente al ADN que causan
subsiguientemente el corte de la cadena de ADN. Por ejemplo, la
1,10-fenantrolina se ha acoplado a oligotimidilato
de cadena única a través de un engarce, lo que resulta en el corte
de oligonucleótidos poli-dA en presencia de
Cu^{2+} y ácido 3-mercaptopropiónico (Francois
et al., Biochemistry 27:2272 (1988)). Se han realizado
experimentos similares para
EDTA^{1}-Fe(II), tanto para ADN de doble
hebra (Boutorin et al., FEBS Lett.
172:43-46 (1986) como ADN triple (Strobel et
al., Science 249:73 (1990)),
porfirina-Fe(III) (LeDoan et al.,
Biochemistry 25:6736-6739 (1986)), y
1,10-fenantronina-Cu(I) (Chen
et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 83:7147 (1985)), lo
que resulta todo en el corte de la cadena de ADN en presencia de un
agente reductor en soluciones aireadas. Un ejemplo similar usando
porfirinas resultó en el corte de la hebra de ADN, y la oxidación de
bases o el entrecruzamiento del ADN en condiciones muy específicas
(LeDoan et al., Nucleic Acids Res. 15:8643
(1987)).
Otro trabajo se ha concentrado en la modificación
química de bases heterocíclicas. Por ejemplo, el anclaje de un
complejo de coordinación inorgánico, Fe-EDTA, a una
base interna modificada resultó en la rotura del ADN después de su
hibridación en presencia de dioxígeno (Dreyer et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82:968 (1985)), Se ha acoplado
exitosamente un compuesto de rutenio a una base interna en un
octámero de ADN, con retención tanto de las capacidades de
hibridación del ADN como de las propiedades espectroscópicas de la
marca de rutenio (Telser et al., J. Am. Chem. Soc.
111:7221 (1989)). Otros experimentos han añadido exitosamente dos
marcas espectroscópicas separadas a una única molécula de ADN de
doble hebra (Telser et al., J. Am. Chem. Soc. 111:7226
(1989)).
El estudio de las reacciones de transferencia de
electrones en proteínas y ADN también se ha explorado en búsqueda de
sistemas que sean capaces de transferir electrones a larga
distancia.
Con este fin, se ha mostrado que la transferencia
intramolecular de electrones en complejos
proteína-proteína, tales como los hallados en
proteínas fotosintéticas y proteínas en la vía respiratoria, tiene
lugar a lo largo de distancias apreciables en el interior de
proteínas, a velocidades biológicamente significativas (ver Bowler
et al., Progress in Inorganic Chemistry: Bioinorganic
Chemistry, Vol. 38, Ed. Stephen J. Lippard (1990)). Además, se
ha conseguido la modificación selectiva de metaloenzimas con metales
de transición, y se han desarrollado técnicas para monitorizar la
transferencia de electrones en estos sistemas. Por ejemplo, se han
modificado proteínas de transferencia de electrones, tales como el
citocromo c, con rutenio a través de su anclaje sobre varias
histidinas, y se ha medido la velocidad de transferencia de
electrones desde el Fe^{2+} del hemo hasta el Ru^{3+} unido. Los
resultados sugieren que podrían existir vías ``tunel'' de
transferencia de electrones (Baum, Chemical & Engineering
News, 22 de febrero, 1993, páginas 2023; ver también Chang et
al., J. Am. Chem. Soc. 113:7056 (1991)). En un trabajo
relacionado, el aislamiento normal de la proteína, que protege los
centros redox de un enzima o proteína de reacciones indiscriminadas
con el solvente externo, se ``soldó'' para transformar estos
sistemas de aislantes eléctricos en conductores eléctricos (Heller,
Acc. Chem. Res. 23:128 (1990)).
Hay unos pocos informes de transferencia
fotoinducida de electrones en una matriz de ADN. En estos sistemas,
los donantes y aceptores de electrones no están unidos
covalentemente al ADN, sino asociados aleatoriamente con el ADN,
haciendo por tanto difícil la elucidación explícita y el control del
sistema donante-aceptor. Por ejemplo, la intensa
fluorescencia de ciertas sales diazoaromáticas cuaternarias es
atenuada a partir de su intercalación en el ADN, o a partir de su
exposición a mononucleótidos individuales, presentando por tanto
procesos de donación de electrones dentro del mismo ADN (Brun et
al., J. Am. Chem. Soc. 113:8153 (1991)).
Otro ejemplo de la dificultad de determinar los
mecanismos de transferencia de electrones se halla en el trabajo
realizado con algunos compuestos fotoexcitables de rutenio. El
trabajo temprano sugiere que ciertos compuestos de rutenio o se
intercalan aleatoriamente entre las bases de nucleótidos, o se unen
a la superficie de la hélice (Purugganan et al.,
Science 241:1645 (1988)). Una referencia reciente indica que
ciertos compuestos de rutenio no se intercalan en el ADN
(Satyanarayana et al., Biochemistry 31(39):9319
(1992)); en cambio, se unen no covalentemente a la superficie de la
hélice de ADN.
En estos trabajos pioneros, se añadieron varios
compuestos aceptores de electrones, tales como compuestos de
cobalto, cromo o rodio, a ciertos compuestos donantes de electrones
de rutenio asociado con ADN (Puragganan et al.,
Science 241:1645 (1988); Orellana et al.,
Photochem. Photobiol. 499:54 (1991); Brun et al.,
J. Am. Chem. Soc. 113:8153 (1991); Davis, Chem.-Biol.
Interactions 62:45 (1987); Tomalia et al., Acc. Chem.
Res. 24:332 (1991)). A partir de la adición de estos diversos
compuestos aceptores de electrones, los cuales se unen
aleatoriamente de forma no covalente a la hélice, se detectó la
atenuación del estado fotoexcitado a través de la transferencia de
electrones. La velocidad de atenuación dependía de ambos, el donante
y aceptor de electrones individual, así como de sus concentraciones,
revelando por tanto que el proceso era bimolecular.
En un conjunto de experimentos, los autores
postulan que el donante unido a la superficie más móvil promueve la
transferencia de electrones con mayor eficienciaque las especies
intercaladas, y sugiere que el esqueleto de
azúcares-fosfatos del ADN, y posiblemente el medio
solvente que rodea el ADN, juegan un papel importante en el
transporte del electrón (Purugganan et al., Science
241:1645 (1988)). En otro trabajo, los autores recalcan la
dependencia de la velocidad de la movilidad del donante y aceptor, y
de sus concentraciones locales, y asignan que el papel del ADN es
principalmente facilitar un incremento en la concentración local
sobre la hélice de las especies donante y aceptora (Orellana et
al., ver más arriba).
En otro experimento, se informó de un donante de
electrones intercalado aleatoriamente en la pila de bases del ADN,
mientras que el aceptor estaba aleatoriamente asociado con la
superficie del ADN. La velocidad de la atenuación de la
transferencia de electrones indicó un estrecho contacto del donante
y aceptor, y el sistema exhibió también una potenciación de la
velocidad de transferencia de electrones con la adición de sal al
medio (Fromherz et al., J. Am. Chem. Soc. 108:5361
(1986)).
En todos estos experimentos, la velocidad de
transferencia de electrones para donantes y aceptores unidos no
covalentemente es varios órdenes de magnitud inferior a la observada
en solución libre.
Un estímulo importante para el desarrollo de
sistemas de transferencia de electrones a larga distancia es la
creación de sistemas sintéticos recolectores de luz. El trabajo
hasta la fecha sugiere que un sistema artificial recolector de luz
contiene un complejo de transferencia de energía, un complejo de
migración de energía, un complejo de transferencia de electrones, y
un complejo migrador de electrones (para una revisión tópica de este
área, consultar Chemical & Engineering News, 15 de marzo
de 1993, páginas 38-48). Se han probado dos tipos de
moléculas: a) moléculas orgánicas largas, tales como hidrocarburos
con especies de transferencia de electrones unidas covalentemente, o
ADN, con especies de transferencia de electrones intercaladas,
parcialmente intercaladas, o asociadas con la hélice, y b) polímeros
sintéticos.
Las moléculas orgánicas largas, aunque son
bastante rígidas, están influenciadas por un cierto número de
factores, los cuales dificultan su desarrollo. Estos factores
incluyen la polaridad y composición del solvente, la orientación de
los grupos donante y aceptores, y el carácter químico del enlace
covalente o de la asociación de la especie transferidora de
electrones a la molécula.
La creación de sistemas de transferencia de
electrones ha sido difícil debido a que los polímeros disponibles
son demasiado flexibles, de forma que ocurren varios modos de
transferencia. Los polímeros que son suficientemente rígidos a
menudo interfieren significativamente con los mecanismos de
transferencia de electrones o son bastante difíciles de
sintetizar.
Por tanto, el desarrollo de un sistema de
transferencia de electrones que sea suficientemente rígido, que
tenga especies transferidoras de electrones unidas covalentemente a
intervalos definidos, sea fácil de sintetizar, y no interfiera
apreciablemente con el mecanismo de transferencia de electrones,
sería útil en el desarrollo de sistemas artificiales recolectores de
luz.
En conclusión, la distribución aleatoria y la
movilidad de los pares donante y aceptor de electrones, junto con
distancias potenciales cortas entre el donante y el aceptor, la
asociación suelta y presumiblemente reversible de los donantes y
aceptores, la dependencia descrita del solvente, y los amplias vías
electrónicas putativas, y la alteración del esqueleto del ADN por
parte de los compuestos intercalados, que hacen imposible el
emparejamiento normal de bases, todos sirven como limitaciones
acusadas de la transferencia de electrones a larga distancia en una
matriz de ADN. Por tanto, es deseable un procedimiento para la
producción de anclajes covalentes, rígidos, de donantes y aceptores
de electrones, para proporcionar las mínimas perturbaciones del
esqueleto del ácido nucleico y la retención de su capacidad para
emparejar bases con normalidad. La presente invención sirve para
proporcionar un sistema tal, el cual permite el desarrollo de nuevos
bioconductores y sondas de diagnóstico.
La presente invención proporciona medios para la
modificación de ácidos nucleicos en sitios específicos con grupos
activos redox, tales como complejos de metales de transición. Un
grupo donante de electrones y un grupo aceptor de electrones se unen
covalentemente en posiciones predeterminadas. Los complejos
resultantes representan una serie de nuevos derivados que son
plantillas bimoleculares capaces de transferir electrones a lo largo
de distancias muy grandes con velocidades extremadamente elevadas.
Estos complejos poseen características estructurales únicas que
permiten el uso de una clase enteramente nueva de bioconductores y
sondas de diagnóstico.
De acuerdo con esto, es un objeto de la invención
proporcionar ácidos nucleicos con especies transferidoras de
electrones unidas covalentemente a una base terminal del ácido
nucleico. Es además otro objeto proporcionar ácidos nucleicos con
especies orgánicas transferidoras de electrones unidas
covalentemente.
La Figura 1 ilustra todas las posibles
orientaciones de los grupos donante de electrones (EDM, electron
donor moieties) y aceptor de electrones (EAM, electron
acceptor moieties) sobre un ácido nucleico de hebra única.
La Figura 2 ilustra las posibles orientaciones de
grupos de transferencia de electrones EDM y EAM sobre dos ácidos
nucleicos de hebra única adyacentes. Estas orientaciones se
aplicarán también cuando las dos sondas están separadas por un
secuencia intermedia.
La Figura 3 ilustra una serie de precursores
nucleósidos, modificados con amino, antes de su incorporación en un
oligonucleótido.
Las Figuras 4A y 4B ilustran el esqueleto de
grupos transferidores de electrones. La Figura 4A ilustra la fórmula
general de un clase representativa de donantes y aceptores de
electrones. La Figura 4B ilustra un ejemplo específico de un grupo
transferidor de electrones de rutenio usando bisbipiridina e
imidazol como ligandos.
La Figura 5 es un esquema que muestra metales de
transición unidos al esqueleto de ribosa-fosfato en
una variedad de posiciones. M es un metal de transición. M_{1}
está unido a través de una amina sobre el carbono 2' de la ribosa;
un electrón debe viajar a través de 4 enlaces \sigma para entrar
en los orbitales pi (``la vía pi'') de las bases apiladas. M_{2} y
M_{3} están unidos a través de enlaces del tipo fosforamido, los
electrones deben viajar respectivamente a través de 7 enlaces
\sigma para entrar la vía pi. M_{4} está unido a través de una
amina sobre el carbono 3' de la ribosa, y un electrón viaja a través
de 5 enlaces \sigma.
Las Figuras 6A, 6B y 6C ilustran el anclaje de un
nucleósido 2'-amino-modificado con
vidrio de poro controlado (CPG) y la formación de un ácido nucleico
de hebra única con la elongación y unión de complejos de metales de
transición como las especies transferidoras de electrones
ejemplificadas. Las condiciones experimentales ser esbozan en el
EJEMPLO 9. La Figura 6A ilustra la formación de
2'-amino-2'-desoxiuridina
derivada con vidrio de poro controlado (CPG). Se ilustra la uridina
modificada 2'-amino, aunque podría usarse cualquier
base. Tal como se sabe en la técnica, los nucleósidos fosforamiditos
se añaden a los nucleósidos derivados, después de retirar el grupo
protector DMT, tal como se ilustra de forma general en la Figura 6B,
usando la secuencia UCTCCTACAC como un ejemplo. La adición 5'
terminal de una fosforamidito
2'-amino-desoxiuridina, con un grupo
protector DTM, resulta en un ácido nucleico de hebra única que
contiene 3' y 5' un nucleósido 2'-amino modificado.
La Figura 6C ilustra la adición de las especies transferidoras de
electrones, ejemplificadas por dos complejos de metal de transición
de rutenio,
\hbox{im(bpy) _{2} Ru}y Ru(II)(NH_{3})_{4}py.
La Figura 7 ilustra la adición de grupos
transferidores de electrones, ejemplificados por un complejo de
metal de transición, al extremo C-terminal de PNA.
La Figura 9 un 4-aminometilpiridina al extremo
C-terminal, para formar un ligando que podría unir
el metal al nitrógeno del anillo de piridina.
Las Figuras 8A y 8B ilustran la unión de ácidos
nucleicos amino-modificados de la invención a los
electrodos. (A) ilustra el anclaje a electrodos de carbón vidriado.
R es el oligonucleótido, y GCE es el electrodo de carbón
vitrificado. (B) ilustra el anclaje de los ácidos nucleicos
amino-modificados de la invención a superficies
oxidadas usando reacciones con silano.
A menos que se indique lo contrario, el término
``ácido nucleico'' u ``oligonucleótido'', o los equivalentes
gramaticales de los mismos, significan al menos dos nucleótidos
unidos juntos covalentemente. Un ácido nucleico de la presente
invención generalmente contiene enlaces fosfodiéster, aunque en
algunos casos, tal como se ha esbozado más arriba, se incluyen
análogos de un ácido nucleico que podrían tener esqueletos
alterados, comprendiendo, por ejemplo, uniones fosforamidas
(Beaucage et al., Tetrahedron 49(10):1925
(1993) y referencias en ésta; Letsinger, J. Org. Chem.
35:3800 (1970); Sprinzl et al., Eur. J. Biochem.
81:579 (1977); Letsinger et al., Nucl. Acids Res.
14:3487 (1986); Sawai et al., Chem. Lett. 805 (1984);
Letsinger et al., J. Am. Chem. Soc. 110:4470 (1988); y
Pauwels et al., Chemica Scripta 26:141 (1986)),
fosforotioatos, fosforoditioatos,
O-metil-fosforamiditos (ver
Eckstein, Oligonucleotide and Analogues: A Practical
Approach, Oxford University Press), y esqueletos y uniones
péptido-ácido nucleico (ver Egholm, J. Am. Chem. Soc.
114:1895 (1992); Meier et al., Chem. Int. Ed. Engl.
31:1008 (1992); Nielsen, Nature 365:566 (1993); Carisson
et al., Nature 380:207 (1996)). Estas modificaciones
del esqueleto ribosa-fosfato podrían hacerse para
facilitar la adición de grupos transferidores de electrones, o para
incrementar la estabilidad y vida media de tales moléculas en
entornos fisiológicos.
Son particularmente preferidos los péptidos-ácido
nucleico (PNA). Este esqueleto es sustancialmente no iónico en
condiciones neutras, en contraste con el esqueleto fosfodiéster
altamente cargado de los ácidos nucleicos que ocurren de forma
natural. Esto resulta en dos ventajas. Primero, este esqueleto
presenta cinéticas de hibridación mejoradas. Los PNA tienen grandes
cambios en la temperatura de fusión (Tm) para pares de bases
emparejados erróneamente respecto los emparejados perfectamente. El
ADN y ARN presentan típicamente una caída de 2-4ºC
en la Tm para un emparejamiento erróneo interno. Con el esqueleto no
iónico del PNA, la caída es cercana a 7-9ºC. Esto
permite una mejor detección de emparejamientos erróneos. De forma
similar, debido a su naturaleza no iónica, la hibridación de las
bases unidas a estos esqueletos es relativamente insensible a la
concentración de sal. Estos es particularmente ventajoso en los
sistemas de la presente invención, puesto que una solución de
hibridación con sales reducidas tiene un corriente de Faraday
inferior que una solución salina fisiológica (en el rango de 150
mM).
Los ácidos nucleicos podrían ser de hebra única o
de doble hebra, según se especifique, o contener porciones de
secuencias de doble hebra y de hebra única. El ácido nucleico podría
ser de ADN, tanto genómico como cADN, ARN, o un híbrido, en donde el
ácido nucleico contiene cualquier combinación de
desoxirribo-y ribonucleótidos, y cualquier
combinación de bases, incluyendo uracilo, adenina, timina, citosina,
guanina, inosina, xantina e hipoxantina, etc. En el caso de un
``ácido nucleico intermediario'', el término se refiere a uno o más
nucleósidos. Tal como se usa en ésta, el término ``nucleósido''
incluye los nucleótidos.
Los términos ``grupo donantes de electrones'',
``grupo aceptor de electrones'', y ``grupos transferidores de
electrones'', o los equivalentes gramaticales de los mismos, se
refieren a moléculas capaces de transferir electrones en ciertas
condiciones. Debe entenderse que las capacidades donante y aceptora
de electrones son relativas, esto es, una molécula que puede perder
un electrón bajo ciertas condiciones experimentales será capaz de
aceptar un electrón bajo condiciones experimentales diferentes. Debe
comprenderse que el número de grupos donantes de electrón y grupos
aceptores de electrón es muy elevado, y que alguien especialista en
el tema de compuestos transferidores de electrones será capaz de
utilizar un cierto número de compuestos en la presente invención.
Los grupos transferidores de electrones incluyen, pero no se limitan
a, complejos de metales de transición, grupos orgánicos
transferidores de electrones, y electrodos.
En una realización preferida, los grupos de
transferencia de electrones son complejos de metales de transición.
Los metales de transición son aquéllos cuyos átomos tienen una capa
d de electrones incompleta. Los metales de transición apropiados
para su uso en la invención incluyen, pero no se limitan a, el
cadmio (Cd), magnesio (Mg), cobre (Cu), cobalto (Co), paladio (Pd),
zinc (Zn), hierro (Fe), rutenio (Ru), rodio (Ro), osmio (Os), renio
(Re), platino (Pt), escandio (Sc), titanio (Ti), vanadio (Va), cromo
(Cr), manganeso (Mn), níquel (Ni), molibdeno (Mo), tecnecio (Tc),
tungsteno (W), e iridio (Ir). Esto es, se prefieren, la primera
serie de metales de transición, los metales del platino (Ru, Rh, Pd,
Os, Ir y Pt), junto con el Re, W, Mo, y Tc. Son particularmente
preferidos el rutenio, renio, osmio, platino y hierro.
Los metales de transición se complejan con una
variedad de ligandos para formar complejos de metales de transición
apropiados, tal como es bien conocido en la técnica. Los ligandos
apropiados incluyen, pero no se limitan a, -NH_{2}; piridina;
pirazina; isonicotinamida; imidazol; bipiridina y derivados
sustituidos de la bipiridina; fenantrolinas, particularmente la
1,10-fenantrolina (abreviada como phen) y los
derivados sustituidos de fenantrolinas tales como la
4,7-dimetilfenantrolina; dipirofenazina;
1,4,5,8,9,12-hexaazatrifenileno (abreviado hat);
9,10-fenantrenequinona diimina;
1,4,5,8-tetraazafenanteneo (abreviado tap);
1,4,8,11-tetra-azaciclotetradecano;
diaminopiridina (abreviada damp); porfirinas y derivados sustituidos
de la familia porfirina. En la Figura 4A se muestra una fórmula
general que es representativa de una clase de donantes y aceptores
que podrían emplearse. Los grupos R^{1}, R^{1}, R^{3}, R^{4}
y R^{5} podrían ser cualquier ligando de coordinación que es
capaz de unirse covalentemente al metal escogido, y podría incluir
cualquier de los ligandos anteriores. En la Figura 4B se muestra la
estructura de una especie transferidora de electrones de rutenio
usando bisbipiridina e imidazol como ligandos. Los ejemplos de
complejos transferidores de electrones útiles incluyen, pero no se
limitan a, aquéllos mostrados en la TABLA 1.
\dotable{\tabskip\tabcolsep\hfil#\hfil\+\hfil#\hfil\+\hfil#\hfil\tabskip0ptplus1fil\dddarstrut\cr}{ Donantes \+ \+ Aceptores\cr Ru(bpy) _{2} im-NH-U \+ \+ Ru(NH _{3})_{5} -NH-U\cr Ru(bpy) _{2} im-NH-U \+ \+ Ru(NH _{3})_{4} py-NH-U\cr Ru(bpy) _{2} im-NH-U \+ \+ Ru(NH _{3})_{4} im-NH-U\cr \+ tran-Ru(cyclam)py\+\cr}
en
donde,
Ru = rutenio,
bpy = bisbipiridina,
im = imidazol,
py = piridina,
cyclam =
1,4,8,11-tetra-azaciclotetradecano
Otros grupos apropiados incluyen la,
bis(fenantrolina)(dipirofenazina)Ru(II)
(abreviada [Ru(phen)_{2}dppz]^{2+});
bis(9,10-fentrenequinona
diimina)(fenantrolina)Rh(III) (abreviada
[Rh(phi)_{2}phen]^{3+});
tris(fenantrolina)Ru(II)
(abreviada
[Ru(o-phen)_{3}]^{2+}];
Co(phen)_{3}^{3+};
Co(bpy)_{3}^{3+};
Rh(phen)_{3}^{3+};
Cr(phen)_{3}^{3+};
Ru(bpy)_{2}(dppz)^{3+};
y
Ru(bpy)_{3}^{2+};
Además de los complejos de metales de transición,
otros donantes y aceptores orgánicos de electrones podrían unirse
covalentemente al ácido nucleico para su uso en la invención. Estas
moléculas orgánicas incluyen, pero no se limitan a, la riboflavina,
los colorantes de xanteno, los colorantes de azina, el naranja de
acridina, el dicloruro de
N,N-dimetil-2,7-diazapirenio
(DAP^{2+}), el metilviologen, el bromuro de etidio, quinonas tales
como el dicloruro de
N,N'-dimetilantra(2,1,9,-def:6,5,1,0-d'e'f')diisoquinolina
(ADIQ^{2+}); las porfirinas ([tetracloruro de
mesotetraquis(N-metil-x-piridinio)porfirina];
el hidrocloruro de azul B de varlamina; el verde de Bindschedler; el
2,6-dicloroindofenol, el
2,6-dibromofenolindofenol; el azul crest brillante
(cloruro de
3-amino-9-dimetil-amino-10-metilfenoxiazina);
azul de metileno; azul A del Nilo (sulfato de
aminoaftodietilaminofenoxazina); índigo-ácido
5,5',7,7'-tetrasulfónico; índigo-ácido
5,5',7-trisulfónico; fenosafranina; índigo-ácido
5-monosulfónico; safranina T; cloruro de
bis(dimetilglioximato)-hierro(II);
escarlata de indulina; rojo neutro; y derivados sustituidos de
estos compuestos.
En una realización, los donantes y aceptores de
electrones son proteínas redox tal como se conoce en la técnica. No
obstante, en muchas realizaciones no se prefieren las proteína
redox.
En una realización particularmente preferida, un
grupo transferidor de electrones comprende un soporte sólido, tal
como un electrodo al que se ha unido el ácido nucleico,
covalentemente o de otro modo. Esto es, el electrodo sirve como
ambos donante y aceptor de electrones, y se describe con mayor
detalle más abajo. Las técnicas usadas en esta realización son
análogas al empalme de proteínas a un electrodo, excepto que se usan
los ácidos nucleicos de la presente invención en vez de una proteína
redox (ver, por ejemplo, Gregg et al., J. Phys. Chem.
95:5970 (1991); Heller et al., Sensors and Actuators
R. 13-14:180 (1993); y Pishko et al.,
Anal. Chem. 63:2268 (1991)).
La unión al electrodo se utiliza para iniciar una
vía de transferencia de electrones a través de un potencial
aplicado, y para procedimientos electrónicos de monitorización de la
transferencia de electrones.
En una realización preferida, el transporte de
electrones entre el electrodo y el ácido nucleico puede ser
indirecto, utilizando mediadores del transporte de electrones, que
están libres en la solución o embebidos en un gel o polímero, para
proporcionar un tipo de acoplamiento electrónico entre el electrodo
y los ácidos nucleicos. En una realización preferida, los ácidos
nucleicos modificados con un grupo transferidor de electrones de la
invención se unen a través de una matriz tal. La unión a la matriz
tiene varias ventajas para su uso en un sensor de gen de ácido
nucleico. Debido a la naturaleza tridimensional del polímero, pueden
anclarse un número elevado de sondas de ácido nucleico modificadas a
un área pequeña del electrodo. Usando un ``hidrogel'' altamente
poroso, las velocidades de hibridación de ácido nucleico pueden ser
bastante elevadas, igualando prácticamente las del ácido nucleico en
solución.
Por ejemplo, los polímeros con moléculas redox
covalentemente unidas se comportan como mediadores altamente
efectivos de la transferencia de electrones. Los polímeros de
siloxano y óxido de etileno, modificados con moléculas de ferroceno,
demostraron la transferencia de electrones entre enzimas y un
electrodo; por ejemplo, se ha observado que los polímeros flexibles
de siloxano y óxido de etileno unidos covalentemente al ferroceno o
Os(bpy)_{2} son polímeros redox altamente efectivos
para mediar la transferencia de electrones desde varios enzimas a un
electrodo (ver Boguslavsky et al., Solid State Ionics
V. 60, p. 189 (1993)). De forma similar, se ha preparado un cemento
epoxi conductor redox (ver Hellar et al., J. Phys.
Chem. 95:5970 (1991)). También se han preparado geles redox
entrecruzados, para aplicaciones de biosensores amperométricos, con
oxidasa de glucosa conectada eléctricamente a electrodos, de forma
que se observó que los electrones fluían desde el enzima, a través
del polímero, hacia el electrodo (ver Hellar, A. et al.,
Anal. Chem. 62:258 (1990)).
En esta realización, se prefiere que un polímero
redox, tal como un complejo de poli-(vinilpiridina) con
Os(bby)_{2}Cl, esté entrecruzado con un epóxido,
tal como un diepóxido, para formar un cemento epóxido conductor
redox, el cual es capaz de unirse fuertemente a electrodos hechos de
material conductor, tal como oro, carbón vidriado, grafito, y otros
materiales conductores. Esta unión fuerte se incluye en la
definición de ``covalentemente unido'' para los propósitos de esta
realización. El polímero entrecruzado de epóxido se hace reaccionar
entonces con, por ejemplo, una amina expuesta, tal como la amina de
un ácido nucleico amino-modificado descrito más
arriba, uniendo covalentemente el ácido nucleico al complejo,
formando un ``hidrogel redox'' sobre la superficie del
electrodo.
De una forma análoga, el ADN modificado
químicamente puede sustituir al enzima redox o mediador con el
resultado de que se observan procesos de transferencia de electrones
desde un grupo ADN-modificado con un metal de
transición, a través de un polímero conductor redox acoplado, hasta
un electrodo.
Los mediadores apropiados incluyen
hidroquinonas/quinonas de ferroceno/ferricinio solubles en agua,
componentes de sales orgánicas reducibles y oxidables, cobaltocenos,
los hexa-y octacianuros de molibdeno, tungsteno y
hierro. Además, se usan los macrociclos y ligandos quelantes de
metales de transición como el cobalto, rutenio y níquel, incluyendo
la Co(etilenediamina)_{3} y la
Ru(etilenediamina)_{3}, y los complejos de
trisbipiridil y hexamina de metales de transición tales como el Co,
Ru, Fe y Os (ver Alyanasundaram, más arriba).
En una realización preferida, el transporte de
electrones entre el electrodo y el ácido nucleico puede dirigirse a
través de un enlace covalente. Una ventaja de estos sistemas es que
puede influenciarse la orientación de la sonda de ADN para reducir
cualquier torsión hacia atrás desde la sonda hacia el electrodo.
También, un control más preciso del potencial aplicado y de la
corriente medida está asociado con enlaces covalentes más cortos con
respecto a geles y polímeros.
En una realización preferida, los enlaces
covalentes deben ser altamente conductores, tales como en un
polímero redox (Hellar, A., Acc. Chem. Res. Vol. 23, p. 128,
1990). Alternativamente, si son pobremente conductores, la longitud
del enlace debe mantenerse corta. En consecuencia, una realización
preferida tiene un electrón que atraviesa no más de aproximadamente
cinco enlaces \sigma, siendo especialmente preferida cuando
atraviesa no más de tres. Las barras de pasta de carbón y de carbón
vitrificado se han mostrado fiables y efectivas como electrodos en
una variedad de sensores químicos, incluyendo biosensores sensibles
basados en el enzima oxidasa de glucosa, y podrían usarse en la
presente invención. Además, se ha observado que los polímeros
flexibles de oxido de etileno y siloxano unidos covalentemente a
moléculas de ferroceno o Os(bpy)_{2} sin polímeros
redox altamente efectivos para mediar la transferencia de electrones
desde varios enzimas hacia un electrodo. Los ácidos nucleicos
modificados de amino-ribosa se unen a los electrodos
de carbón mediante variaciones de estas técnicas de la literatura.
Finalmente, los ácidos nucleicos se unen más directamente a los
electrodos de carbón oxidados mediante residuos de guanosina, usando
la química conocida de la carbodiimida y de la
N-hidroxisuccinimida.
En una realización preferida, se usan electrodos
de carbón vitrificado (GCE). En esta realización, se usan grupos
amina, tal como se ha esbozado más arriba, sobre el carbón 2' ó 3'
del anillo de ribosa para el anclaje. La reacción progresa a través
de la oxidación de un grupo amina hasta un radical catiónico, el
cual forma un enlace covalente y químicamente estable entre la amina
y el borde del plano de la superficie del GCE (ver Deinhammer, R.
et al., Langmuir 10:1306 (1994)). Esta estrategia
sintética ha sido caracterizada en detalle usando espectroscopia de
X-rayos foto-electrón y voltimetría
cíclica. El rendimiento usando esta química puede ser bastante
elevado, aproximadamente 1 \times 10^{10} moléculas/cm^{2}. El
compuesto de amina forma un enlace estable con la superficie de
carbón, y los efectos estéricos influencian la eficiencia de unión.
La reactividad de las aminas primarias es sustancialmente mayor que
la de las aminas secundarias; la unión de aminas terciarias no se ha
observado en absoluto.
En la Figura 8A se ilustra el procedimiento
desarrollado por Deinhammer, R. et al., para preparar los GCE para
el tratamiento electroquímico en solución que contiene aminas,
empleando los oligonucleótidos amino-modificados
(grupo amino primario) descritos antes.
Además, el ADN se ha inmovilizado sobre GCE
usando una carodimida soluble en agua (Mikkelsen et al.,
Electroanalysis 4:929 (1992)).
En una realización preferida, los ácidos
nucleicos de la invención se unen a electrodos de oro. Hay varios
procedimientos disponibles para la unión covalente de especies redox
activas a superficies de oro, y se han observado reacciones de
transferencia de electrones con estos materiales. Se prepararan
hidroxitioles (OH(CH_{2})_{x}SH) de diferentes longitudes
mediante variación de procedimientos de la literatura (ver Miller,
C. et al., J. Phys. Chem. 95:877 (1991) y Chidsey,
C.E.D. Science V. 251, p. 919 (1991)). El EJEMPLO 8 esboza la
preparación de hidroxitioles que se unen a electrodos de oro.
En la técnica se conocen procedimientos
alternativos para la preparación de hidroxitioles. Los electrodos o
superficies de Au se preparan mediante procedimientos de la
literatura, y los hidroxitioles modificados se adsorben sobre el
Au.
En una realización adicional, los ácidos
nucleicos modificados de la invención se unen covalentemente a
superficies oxidadas en película fina. Se han descrito que una
variedad de compuestos pueden unirse covalentemente (en forma de
monocapas) a electrodos de película fina de SnO_{2}, TiO_{2},
RuO_{2} y Pt. (ver Lenhard, J. y Murray, R. J. Electroanal.
Chem. 78:195 (1977)). Se ha observado la electroquímica
reversible de los complejos unidos a superficie, tales como la
3,5-dinitrobenzamida. Los complejos descritos se
unen al electrodo a través de un anclaje con enlace amida. Empleando
estos procedimientos de la literatura, pueden prepararse derivados
análogos, usando oligonucleótidos amino-modificados
descritos en este trabajo, y se representan esquemáticamente en la
Figura 8B.
En consecuencia, usando los procedimientos
anteriores, los oligonucleótidos podrían unirse a un soporte sólido
de tal forma que el electrodo sirve como uno u otro, o como grupo
donante de electrones, o como grupo aceptor de electrones.
Por tanto, pueden hacerse todas las combinaciones
de donantes y aceptores de electrones: dos complejos de metal de
transición; dos especies orgánicas transferidoras de electrones; un
metal de transición, un grupo orgánico; un metal de transición y un
electrodo; y un grupo orgánico y un electrodo. La elección de las
especies transferidoras de electrones dependerá en parte del
procedimiento de inicio y detección requerido, tal como se describe
con mayor detalle más abajo.
El término ``secuencia diana'', o los
equivalentes gramaticales del mismo, se refieren a una secuencia de
ácido nucleico sobre una hebra única de ácido nucleico. La secuencia
diana podría ser una porción de un gen, una secuencia reguladora,
ADN genómico, cADN, mARN, u otros. Podría ser de cualquier longitud,
entendiéndose que secuencias más largas son más específicas. Tal
como se esboza más detalladamente más abajo, las sondas se
construyen para hibridarse a secuencias dianas para determinar la
presencia o ausencia de la secuencia diana en la muestra. Hablando
generalmente, este término será comprendido por los especialistas en
la técnica.
Las sondas de la invención se diseñaron para que
fueran complementarias con la secuencia diana, de tal forma que
ocurran la hibridación de la secuencia diana y de las sondas de la
presente invención. Tal como se ha esbozado más arriba, esta
complementariedad no tiene porque ser perfecta; podría haber
cualquier número de emparejamientos erróneos, los cuales
interferirían con la hibridación entre la secuencia diana y los
ácidos nucleicos de hebra única de la presente invención. No
obstante, si el número de mutaciones es tal grande que no puede
ocurrir la hibridación incluso bajo las condiciones de hibridación
menos exigentes, la secuencia no es una secuencia diana
complementaria.
Podrían usarse una variedad de condiciones de
hibridación en la presente invención. Tal como es bien conocido en
la técnica, exigencia ``elevada'' se refiere usualmente a
condiciones tales como 0,1XSSC a 65ºC, las condiciones de exigencia
reducida incluyen 2-5XSSC a 25-50ºC.
Las condiciones de hibridación podrían variar también cuando se usa
un esqueleto no iónico, tal como el PNA, como es bien sabido en la
técnica.
Los términos ``primer dominio diana'' y ``segundo
dominio diana'', o los equivalentes gramaticales en ésta, se
refieren a dos porciones de una secuencia diana dentro de un ácido
nucleico que está bajo examen. El primer dominio diana podrían estar
directamente adyacente al segundo dominio diana, o los dominios
diana primero y segundo podrían estar separados por un dominio diana
intermediario. Los términos ``primero'' y ``segundo'' no se pretende
que confieran una orientación a las secuencias con respecto la
orientación 5'-3' de secuencia diana. Por ejemplo,
asumiendo una orientación 5'-3' de la secuencia
diana complementaria, el primer dominio diana podría ubicarse o 5'
respecto el segundo dominio, o 3' respecto el segundo dominio.
La presente invención se dirige, en parte, a la
modificación selectiva para un sitio de ácidos nucleicos con grupos
redox activos, tales como complejos de metal de transición, para la
preparación de una nueva serie de biomateriales capaces de
transferir electrones a grandes distancias a través de la matriz de
ácido nucleico. La presente invención proporciona medios para la
colocación precisa de los grupos donante y aceptor de electrones, en
sitios predeterminados, sobre un ácido nucleico de hebra única o
doble hebra. En general, la transferencia de electrones entre grupos
donante y aceptor de electrones en un ácido nucleico de doble hélice
no ocurre a una velocidad apreciable a menos que exista el
emparejamiento de bases de nucleótidos en la secuencia entre el
donante y el aceptor de electrones en la estructura de doble
hélice.
Esta diferencia en la velocidad de transferencia
de electrones forma la base de una utilidad de la presente invención
para su uso como sonda. En el sistema de la presente invención,
cuando los grupos transferidores de electrones están unidos
covalentemente al esqueleto del ácido nucleico, los electrones
putativamente viajan a través de los orbitales \pi de los pares de
bases apilados de la doble hebra del ácido nucleico. La velocidad de
transferencia de electrones depende de varios factores, incluyendo
la distancia entre el par donante-aceptor de
electrones, la energía libre (\DeltaG) de la reacción, la energía
de reorganización (\lambda), la contribución del medio
interpuesto, la orientación y el acoplamiento electrónico del par
donante y aceptor, y los puentes de hidrógeno entre las bases.
La contribución del medio interpuesto depende, en
parte, del número de enlaces sigma (\sigma) que debe atravesar el
electrón, desde el donante de electrones, para alcanzar la pila de
bases, o para salir de la pila para alcanzar el aceptor de
electrones. Tal como se muestra en la Figura 5, cuando el metal está
unido al esqueleto de ribosa-fosfato a través de un
grupo amida sobre el carbono 2' de la ribosa, un electrón debe
viajar a través de cuatro enlaces \sigma para alcanzar la pila: el
enlace metal a nitrógeno, el enlace nitrógeno a carbono 2', y desde
el carbono 2' hasta la base, o viceversa, dependiendo de la
dirección del flujo de electrones. Puesto que la base del nucleótido
está conjugada en cierto grado, puede considerarse que la base está
en el borde de la ``vía \pi'', esto es, los orbitales \pi
conjugados de la pila de pares de bases. Cuando el metal se une al
esqueleto de ribosa-fosfato a través del carbono 3'
de la ribosa, un electrón debe atravesar 5 enlaces \sigma. Cuando
el metal se une a través de enlaces del tipo fosforamida, un
electrón debe atravesar 7 enlaces \sigma. En las realizaciones
preferidas, las composiciones de la invención se diseñan de tal
forma que los grupos transferidores de electrones están tan cerca de
la ``vía \pi'' como es posible sin alterar significativamente la
estructura secundaria y terciaria de la doble hélice del ácido
nucleico, particularmente el emparejamiento de bases de
Watson-Crick.
El efecto de los puentes de hidrógeno entre bases
sobre la velocidad de transferencia de electrones es una dependencia
de la secuencia de ácido nucleico concreta, puesto que los pares
A-T contienen un puente de hidrógeno menos que los
pares C-G. No obstante, esta dependencia de la
secuencia es enmascarada por la determinación de que hay una
diferencia medible entre la velocidad de transferencia de electrones
dentro de una matriz de pares de bases de ADN, y la velocidad a
través del esqueleto de ribosa-fosfato, el solvente,
y otros túneles de electrones. Esta diferencia de velocidad se cree
que es al menos de varios órdenes de magnitud, y podría ser tan alta
como cuatro órdenes de magnitud mayor a través de las bases de
nucleótidos apiladas en comparación con otras vías de transferencia
de electrones. Por tanto, puede determinarse la presencia de ácidos
nucleicos de doble hebra, por ejemplo, en los ensayos con sondas de
genes, comparando la velocidad de transferencia de electrones de la
sonda sin hibridar con la velocidades de las sondas hidridadas.
En una realización, la presente invención
proporciona nuevas sondas de genes, las cuales son útiles en
biología molecular y en la medicina de diagnóstico. En esta
realización, se sintetizan ácidos nucleicos de hebra únicaque tienen
una secuencia predeterminada se unen covalentemente a grupos
donantes de electrón y aceptores de electrón. La secuencia se
selecciona en base a una secuencia diana conocida, de tal forma que
si ocurre la hibridación con una secuencia diana complementaria en
la región entre el donante de electrones y el aceptor de electrones,
la transferencia de electrones progresa a una velocidad apreciable y
detectable. Por tanto, la presente invención tiene un amplio uso
general, como una nueva forma de sonda de genes marcada. Además,
puesto que la transferencia de electrones en sonda no hibridadas es
inapreciable, las sondas de la presente invención permiten la
detección de secuencias diana sin la supresión de la sonda no
hibridada. Por tanto, la presente invención esta preparada de forma
única para ensayos automatizados con sondas de genes o para ensayos
de campo.
En una realización preferida, las sondas pueden
usarse en diagnóstico genético. Por ejemplo, pueden prepararse
sondas usando las técnicas descritas en ésta para detectar
secuencias diana tales como los genes para el cáncer de colon sin
poliposis, el gen BRCA1 del cáncer de mama, el P53, el cual es un
gen asociado con una variedad de cánceres, el gen Apo E4, que indica
un mayor riesgo de padecer la enfermedad de Alzheimer, permitiendo
un examen presintomático fácil de pacientes, mutaciones en el gen de
la fibrosis cística, o cualquiera de los otros bien conocidos en la
técnica.
En un ejemplo adicional, la detección bacteriana
o viral se realiza usando los complejos de la invención. En esta
realización, las sondas se diseñan para detectar secuencias diana
procedentes de una diversidad de bacterias y virus. Por ejemplo, las
técnicas actuales de examen de la sangre se basan en la detección de
anticuerpos anti-HIV. Los procedimientos descritos
en ésta permiten el examen directo de muestras clínicas para
detectar secuencias de ácido nucleico del HIV, particularmente
secuencias altamente conservadas del HIV. Además, esto permite la
monitorización directa de virus circulantes en un paciente como un
procedimiento mejorado de verificar la eficacia de las terapias
anti-virales. Similarmente, los virus asociados con
la leucemia, HTLV-I y HTLV-II,
podrían detectarse de esta forma. También podrían detectarse las
infecciones bacterianas tales como la tuberculosis.
En una realización preferida, los ácidos
nucleicos de la invención encuentran un uso como sondas de bacterias
tóxicas en el examen de muestras de agua y alimentos. Por ejemplo,
podrían tratarse la muestras para lisar las bacterias y liberar su
ácido nucleico, y a continuación podrían evaluarse sondas diseñadas
para reconocer cepas bacterianas, incluyendo, pero no limitándose a,
cepas patógenas como la Salmonella, Campylobacter,
Vibrio cholera, cepas enterotóxicas de E. coli, y la
bacteria de la enfermedad del legionario. De igual forma, las
estrategias de biocuración podrían evaluarse usando las
composiciones de la invención.
En una realización ulterior, las sondas se usan
en la ``impresión de huella del ADN'' para emparejar ADN de la
escena de un crimen con muestras tomadas de víctimas y
sospechosos.
La presente invención también encuentra un uso
como una metodología única para la detección de mutaciones en
secuencias diana de ácido nucleico. Como resultado, si un ácido
nucleico de hebra única que contiene grupos transferidores de
electrones se hibrida con una secuencia diana con una mutación, la
perturbación resultante del emparejamiento de bases de los
nucleósidos afectará de forma medible la velocidad de transferencia
de electrones. Este es el caso si la mutación es una sustitución,
inserción o supresión. Alternativamente, podrían usarse dos ácido
nucleico de hebra única, cada uno con una especie transferidora de
electrones unida covalentemente, que se hibridan de forma adyacente
a una secuencia diana. En consecuencia, la presente invención
proporciona medios para la detección de mutaciones en secuencias
diana.
Por tanto, la presente invención proporciona
sondas extremadamente específicas y sensibles, las cuales podrían,
en algunas realizaciones, detectar secuencias diana sin retirar las
sondas no hibridadas. Esto será útil en la generación de ensayos
automatizados con sondas de genes.
En una realización alternativa, los ácidos
nucleicos de doble hebra tienen unidos covalentemente grupos
donantes de electrones y aceptores de electrones sobre hebras
opuestas. Tales ácidos nucleicos son útiles para detectar
laamplificación exitosa de genes en reacciones en cadena de la
polimerasa (PCR), permitiendo por tanto que las reacciones de la PCR
exitosas sean una indicación de la presencia o ausencia de una
secuencia diana. La PCR podría usarse de esta manera en diversas
formas. Por ejemplo, si uno de los dos cebadores de la PCR contiene
un donante de electrones unido de forma terminal en 5', y el otro
contiene un aceptor de electrones electrones unido de forma terminal
en 5', varias rondas de PCR generarán fragmentos de doble hebra
doblemente marcados (ocasionalmente conocidos como ``amplicones'').
Después de la fotoinducción apropiada, la detección de transferencia
de electrones proporciona una indicación de la amplificación exitosa
de la secuencia diana en comparación con cuando no ocurre la
amplificación. Una ventaja particular de la presente invención es
que no es necesaria la separación de los cebadores de hebra única
del ADN de doble hebra amplificado, tal como se esbozó más arriba
para las secuencias sonda que contienen grupos transferidores de
electrones. Alternativamente, la detección de un secuencia diana a
través de la PCR se realiza uniendo un especie con un grupo
transferidor de electrones a uno o ambos cebadores. La otra especie
con un grupo transferidor de electrones se une a nucleósidos
individuales del conjunto de la reacción de la PCR, tal como se
describe en ésta. La incorporación de nucleósidos que contienen el
grupo transferidor de electrones al ácido nucleico durante la
reacción de la PCR resulta en ambas especies transferidoras de
electrones unidas a la misma hebra o a hebras opuestas, o a ambas.
Permitiendo que el ácido nucleico sintetizado de nuevo permanezca en
un forma híbrida permite la detección del alargamiento exitoso a
través de la transferencia de electrones, y, por tanto, la detección
de una secuencia diana. De esta forma, la presente invención se usa
para la detección mediante PCR de secuencias diana.
En otra realización la presente invención
proporciona ácido nucleico de doble hebra con grupos donante de
electrones y aceptor de electrones unidos covalentemente para servir
como bioconductores o ``empalme molecular''. El transporte de
electrones podría ocurrir a lo largo de distancias de hasta y en
exceso de los 28 \times 10^{-10} m (28 Angstroms) por par de
donante y aceptor de electrones. Además, la velocidad de
transferencia de electrones es muy rápida, aunque depende de la
distancia entre los grupos donante y aceptor de electrones.
Modificando el ácido nucleico en intervalos regulares con grupos
donante de electrones y/o aceptores de electrones, podría ser
posible transportar electrones a lo largo de grandes distancias,
creando así bioconductores. Estos bioconductores son útiles en un
gran número de aplicaciones, incluyendo aplicaciones tradicionales
para conductores, tales como mediadores de reacciones y procesos
electroquímicos.
Además, estos bioconductores podrían ser útiles
como sondas para reacciones de fotosíntesis, así como en la
construcción de sistemas artificiales recolectores de luz. Los
modelos actuales para el componente de transferencia de electrones
de un sistema artificial recolector de luz tienen varios problemas,
tal como se esbozó más arriba, incluyendo una dependencia de la
polaridad y composición del solvente, y una ausencia de suficiente
rigidez sin síntesis ardua. Por tanto, la presente invención es útil
como ambos, una forma novedosa de bioconductor, así como una nueva
sonda de genes.
La presente invención proporciona ácidos
nucleicos con grupos transferidores de electrones unidos
covalentemente. Los grupos transferidores de electrones podrían
unirse al ácido nucleico en una diversidad de posiciones.
En una realización, los grupos donante y aceptor
de electrones se añaden a los extremos 3' y/o 5' del ácido nucleico,
sobre uno de los dos, el esqueleto de
azúcares-fosfato o sobre una base terminal. En
realizaciones alternativas, los grupos donante y aceptor de
electrones se añaden al esqueleto de uno o más nucleósidos internos,
esto es, cualquier nucleósido que no es el nucleósido 3' ó 5'. En
una realización ulterior, los grupos donante y aceptor de electrones
se añaden al esqueleto de ambos, los nucleósidos internos y
terminales.
En una realización preferida, los grupos
transferidores de electrones se añaden al esqueleto de
ribosa-fosfato en un cierto número de posiciones.
Tal como se muestra en la Figura 5, son posibles varias posiciones,
siendo particularmente preferida la unión a una ribosa de un
esqueleto ribosa-fosfato. En consecuencia, en la
Figura 5, el sitio más preferido para la unión de un grupo
transferidor de electrones es M_{1}, seguido por M_{4}, M_{2}
y M_{3}, en ese orden. En una realización preferida, los grupos
transferidores de electrones se unen a las posiciones 2' ó 3' de la
ribosa, siendo la 2' particularmente preferida.
En una realización preferida, los grupos
transferidores de electrones no se intercalan, y están unidos de
forma que no se intercalen. Por tanto, mientras que es posible
utilizar un ``engarce'', tal como dobles enlaces alternados, para
unir el grupo transferidor de electrones al ácido nucleico, el
engarce es preferiblemente no más largo que el equivalente a uno o
dos nucleósidos de longitud, o no es significativamente flexible
para permitir la intercalación. Preferiblemente, si se usan
engarces, estos se unen a través de la ribosa del esqueleto del
ácido nucleico.
En una realización, los grupos transferidores de
electrones se unen a las bases de los nucleósidos terminales. Así,
cuando la secuencia diana a detectar tiene n nucleósidos de
longitud, puede prepararse una sonda que tiene un nucleósido
terminal extra en uno o ambos extremos de ácido nucleico (n+1 ó
n+2), el cual se usa para unir covalentemente los grupos
transferidores de electrones, pero que no participa en la
hibridación de pares de bases. Este nucleósido terminal extra es
importante puesto que se espera que la unión de grupos
transferidores de electrones a una base de un nucleósido interno
perturbe el emparejamiento de bases de Watson-Crick.
Esto es, la base usada para la unión covalente debería estar fuera
de la región usada para identificar la secuencia diana.
Adicionalmente, se prefiere que, a partir de la hibridación de la
sonda, el nucleósido terminal que contiene el grupo transferidor de
electrones unido covalentemente a la base sea directamente adyacente
a los nucleósidos de los pares de bases de
Watson-Crick; esto es, el grupo transferidor de
electrones debería ser tan cercano como fuera posible a los
orbitales \pi apilados de las bases, de tal forma que un electrón
viaje a través de un mínimo de enlaces \sigma para alcanzar la
``vía \pi'', o alternativamente, puede ponerse en contacto
electrónicamente con la vía \pi.
En una realización, un ácido nucleico de hebra
única se marca con un grupo transferidor de electrones a través de
las bases terminales en ambos extremos. Las realizaciones
alternativas utilizan una base terminal y un anclaje
ribosa-fosfato 5' ó 3' tal como se ha descrito más
arriba. En otras realizaciones, se proporcionan composiciones que
comprenden un primer ácido nucleico de hebra única que contiene un
donante de electrones covalentemente unido a una base terminal, y un
segundo ácido nucleico de hebra única que contiene un aceptor de
electrones covalentemente unido en una posición como se ha descrito
más arriba, esto es, en una posición 5', 3' o interna;
alternativamente, el donante de electrones y el aceptor de
electrones podrían intercambiarse. Una realización particularmente
preferida utiliza un electrodo como uno de los grupos transferidores
de electrones, estando el otro grupo transferidor de electrones
unido a una base terminal, preferiblemente sobre la misma hebra.
La presente invención proporciona además
procedimientos para la adición específica en un sitio de grupos
transferidores de electrones a ácidos nucleicos. Tal como se ha
esbozado más arriba, los grupos transferidores de electrones podrían
añadirse en la posición 2' ó 3' de una ribosa del esqueleto de
ribosa-fosfato, a un base terminal en 3' ó 5', o a
un nucleósido interno usando enlaces péptido-ácido nucleico,
enlaces fosforamidatos, enlaces fosforotioatos, enlaces
fosforoditioatos, o enlaces O-metil
fosforamidatos.
Los cálculos de mecanismos moleculares indican
que las perturbaciones debidas a la modificación en la ribosa de los
nucleósidos terminales del ácido nucleico son mínimas, y que los
emparejamientos de bases de Watson-Crick no se
alteran (datos no publicados usando Biograf de Molecular Simulations
Inc., San Diego, CA).
Para las uniones a la ribosa, una realización
preferida utiliza nucleósidos modificados para unir el grupo
transferidor de electrones. Preferiblemente se usan nucleósido
amino-modificados y nucleósidos. En una realización
alternativa, se usan nucleósidos tio-modificados
para anclar los grupos transferidores de electrones de esta
invención.
Los nucleósidos modificados se usan a
continuación para añadir específicamente en un sitio un grupo
transferidor de electrones de metal de transición, en uno cualquier
de los extremos 3' ó 5' del ácido nucleico, o a cualquier nucleósido
interno. O la posición 2' o la 3' de la ribosa podrían alterarse
para la unión en el extremo 3'; para la unión a una ribosa interna o
al extremo 5' se prefiere la posición 2'. Así pues, por ejemplo, la
posición 2' de la ribosa del desoxirribo-o
ribonucleósido se modifica antes de la adición de las especies
transferidoras de electrones, dejando la posición 3' de la ribosa
sin modificar para uniones subsiguientes a la cadena si fueran
necesarias. En una realización preferida, se añade un grupo amino al
carbono 2' ó 3' del azúcar usando técnicas químicas establecidas
(Imazawa et al., J. Org. Chem. 44:2039 (1979); Hobbs
et al., J. Org. Chem. 42(4):714 (1977);
Verheyden et al., J. Org. Chem. 36(2):250
(1971)).
Los nucleósidos amino-modificados
preparados tal como se ha descrito más arriba se convierten en la
forma trifosfato de nucleótido modificado en 2' ó 3' usando
procedimientos bioquímicos estándares (Fraser et al.,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA 4:2671 (1973)).
Los nucleósidos modificados para la unión de
grupos transferidores de electrones a las bases, se preparan tal
como se ha esbozado en Telser, ver más arriba. Estos nucleósidos
modificados se incorporan a continuación en uno de los extremos 3' ó
5' tal como se ha esbozado más arriba.
Una vez se han preparado, protegido, y activado
los nucleósidos modificados, éstos podrían incorporarse de varias
formas en un oligonucleótido en crecimiento mediante técnicas
sintéticas estándar (Gait, Oligonucleotide Synthesis: A Practical
Approach, IRL Press, Oxford, R.U., 1984; Eckstein). En una
realización, uno o más nucleósidos modificados se incorporan en una
cadena de oligonucleótido en crecimiento usando técnicas estándares
de biología molecular tales como con el uso de la polimerasa I del
ADN, la polimerasa del ADN de T4, la polimerasa del ADN de T7, la
polimerasa Taq del ADN, la transcriptasa inversa, y las polimerasas
del ARN. Para la incorporación de un nucleósido modificado en 3' a
un ácido nucleico, podría usarse la
desoxinucleotidil-transferasa terminal (Ratliff,
Terminal deoxynucleotidyltransferase. En ``The Enzymes'', Vol
14A, Ed. P.D. Boyer, pp. 105-118, Academic Press,
San Diego, CA, 1981). Alternativa, y preferiblemente, el
amino-nucleósido se convierte a la forma
fosforamidito o H-fosfonato, las cuales se usan a
continuación en síntesis de oligonucleótidos en fase sólida o en
solución. De esta forma el nucleósido modificado, bien para la unión
a la ribosa (es decir, nucleósidos amino-o
tiol-modificados) o a la base, se incorpora en el
oligonucleótido en una de ambas, una posición interna o en el
extremo 5'. Esto se realiza generalmente protegiendo la posición 5'
de la ribosa con 4',4-dimetilxitritil (DMT) seguida
por reacción con
2-cianoetoxi-bis-diisopropilaminofosfina,
en presencia de diisopropilamonio tetrazólido, para rendir el
fosforamidito, tal como es conocido en la técnica; aunque podrían
usarse otras técnicas, como será apreciado por aquéllos
especialistas en la técnica. Ver Gait, mas arriba; Caruthers,
Science 230:281 (1985).
Para la unión de un grupo transferidor de
electrones al extremo 3', un procedimiento preferido utiliza el
anclaje del nucleósido modificado a vidrio de poro controlado (CPG)
u otros soportes poliméricos. En esta realización, el nucleósido
modificado se protege en el extremo 5' con DMT, y a continuación se
hace reaccionar con anhídrido succínico con activación. El compuesto
succinilo resultante se une al CPG u otros soportes poliméricos como
se conoce en la técnica. Se añaden otros fosforamiditos de
nucleósidos, bien modificados o no, al extremo 5' después de su
desprotección.
En otra realización, el grupo o grupos
transferidores de electrones se añaden a la mitad del ácido
nucleico, es decir, a un nucleósido interno. Esto podría conseguirse
de tres formas.
En una realización preferida, un nucleósido
modificado se incorpora en el extremo 5' tal como se ha descrito más
arriba. En esta realización, la síntesis del oligonucleótido
simplemente extiende el extremo 5' desde el nucleósido modificado
usando técnicas estándares. Esto resulta en un oligonucleótido
amino-modificado internamente.
En una realización, los nucleósidos se modifican
para contener una amina aromática capaz de unir un grupo
transferidor de electrones en una de las posiciones 2' ó 3' de la
ribosa. Por ejemplo, uno de los nitrógenos del imidazol puede unirse
en la posición 2' ó 3' de la ribosa, y de este modo usarse para unir
el grupo transferidor de electrones, tal como un complejo de metal
de transición. Esto podría reducir efectivamente el número de
enlaces \sigma que debe viajar un electrón para alcanzar la ``vía
pi'' puesto que el imidazol ofrece sustancialmente menos resistencia
a la transferencia de un electrón en comparación con un enlace
\sigma. En una realización preferida, el imidazol se une a la
posición 2' de la ribosa. En una realización alternativa, el
imidazol se une a la posición 3'. El nucleósido modificado con
imidazol podría incorporarse en un oligonucleótido tal como se
esboza en ésta para los nucleósidos modificados con amino.
En una realización alternativa, los grupos
transferidores de electrones se añaden al esqueleto en un sitio
distinto de la ribosa, resultando en un anclaje interno. Por
ejemplo, pueden usarse enlaces fosforamida en vez de fosfodiéster
como el sitio para la modificación con metal de transición. Estos
metales de transición sirven como donantes y aceptores para
reacciones de transferencia de electrones. Aunque las desviaciones
estructurales de los enlaces fosfodiéster nativos ocurren y se han
estudiado usando CD y RMN (Heller, Acc. Chem. Res. 23:128
(1990); Schuhmann et al., J. Am. Chem. Soc. 113:1394
(1991)), se ha descrito que el enlace fosforamidito entre
nucleótidos se une a polinucleótidos complementarios y que es
estable (Beaucage et al., ver más arriba, y referencias en ella;
Letsinger, ver más arriba; Sawai, ver más arriba; Jager,
Biochemistry 27:7237 (1988)). En esta realización, se crean
dímeros de nucleótidos con enlaces fosforamida en una de las
posiciones 2'-5' o 3'-5'. Una
realización preferida utiliza la posición 3'-5' para
el enlace fosforamida, de tal forma que la alteración estructural
del par de bases de Watson-Crick subsiguiente está
minimizada. Estas unidades de dímeros se incorporan en una cadena
oligonucleotídica en crecimiento, como más arriba, a intervalos
definidos, tal como se esboza más abajo.
Por tanto, la presente invención proporciona
procedimientos para preparar un ácido nucleico con grupos
transferidores de electrones covalentemente unidos. En una
realización preferida, el procedimiento es para preparar un ácido
nucleico con un grupo transferidor de electrones unido en el extremo
3' de dicho ácido nucleico. El procedimiento comprende unir un
nucleósido modificado en 2' a vidrio de poro controlado, y añadir
nucleósidos fosforamiditos al extremo 5' del nucleósido modificado
para formar un ácido nucleico. A continuación, el ácido nucleico se
corta opcionalmente del CPG usando procedimientos conocidos. El
ácido nucleico podría hibridarse con su complemento, si se precisa,
para proteger las bases de su modificación, y el grupo transferidor
de electrones de añade al nucleósido modificado con
2'-amino.
En una realización preferida, se proporcionan los
procedimientos para preparar un ácido nucleico con un grupo
transferidor de electrones unido en el extremo 5'. El procedimiento
comprende unir un nucleósido a vidrio de poro controlado, y añadir
nucleósidos fosforamiditos al extremo 5' del nucleósido para formar
un ácido nucleico. Se añade al extremo 5' un nucleósido modificado
en 2' o 3' con amino, y el ácido nucleico se corta opcionalmente del
CPG. El ácido nucleico podría hibridarse con su complemento, si se
precisa, y el grupo transferidor de electrones de añade al
nucleósido modificado con 2'-amino o
3'-amino.
En una realización preferida, se proporciona un
procedimiento para preparar un ácido nucleico de hebra única con
grupos transferidores de electrones unidos a ambos, los extremos 3'
y 5'. El procedimiento comprende unir un nucleósido modificado a
vidrio con poro controlado. El nucleósido modificado podría estar
modificado con modificado para su unión a través de la ribosa tal
como se describe en ésta, o modificado en la base. Los nucleósidos
fosforamiditos adicionales se añaden al extremo 5' del nucleósido
modificado para formar un ácido nucleico. Se añade un nucleósido
fosforamidito modificado extra al extremo 5' del ácido nucleico, el
cual, a continuación, se separa opcionalmente del vidrio de poro
controlado, y podría hibridarse con su complemento. Se añade un
grupo donante de electrones a un nucleósido modificado y se añade un
grupo aceptor de electrones a otro nucleósido modificado.
El corte del CPG podría ocurrir bien antes de la
modificación con metal de transición o después.
Debería entenderse que es importante que el
emparejamiento de bases no se perturbe significativamente con objeto
de permitir la hibridación, buenas velocidades de transferencia de
electrones, y la detección de emparejamiento erróneos. Así pues, por
ejemplo, los grupos de metal de transición, cuando se unen a los
ácidos nucleicos de la invención, no se intercalan, es decir, no se
insertan y apilan entre los pares de bases de la doble hebra del
ácido nucleico. La intercalación de los metales de transición con
los ligandos que los acompañan alteran el emparejamiento de bases, e
impide por tanto la transferencia de electrones y la identificación
de emparejamientos erróneos. De forma similar, con la excepción de
las bases terminales, tal como se ha esbozado más arriba, el anclaje
de complejos de metales de transición en las bases de nucleósidos
(Telser et al., ver más arriba) también altera el
emparejamiento de bases e impide la identificación de
emparejamientos erróneos.
Debería notarse que, cuando se usan las técnicas
anteriores para la modificación de residuos internos, es posible
crear un ácido nucleico que tiene un especie transferidora de
electrones en el nucleósidos próximo al último en el extremo 3',
eliminando así la necesidad de los pasos extra requeridos para
producir el nucleósido marcado de forma terminal en 3'.
En una realización ulterior para la modificación
de residuos internos, se generan trifosfatos de nucleósidos
modificados en 2' ó 3' usando las técnicas descritas más arriba para
la modificación de nucleósidos 3'. Los nucleósidos modificados se
insertan internamente en el ácido nucleico usando técnicas
estándares de biología molecular para el marcaje de ADN y ARN. Los
enzimas usados para dicho marcaje incluyen las polimerasas del ADN,
tales como la polimerasa I, la polimerasa de ADN de T4, la
polimerasa de ADN de T7, la polimerasa Taq de ADN, la transcriptasa
inversa, y polimerasas de ARN tales como la polimerasa de ARN de
E. coli o las polimerasas de ARN procedentes de los fagos
SP6, T7 ó T3 (Short Protocols in Molecular Biology. 1992, Ed.
Ausubel et al., pp. 3.11-3.30).
Tal como se describe más arriba, el grupo
transferidor de electrones, preferiblemente un complejo de metal de
transición, podría unirse a cualquiera de las cinco bases (adenina,
timina, uracilo, citosina, guanina, y otras bases que no ocurren de
forma natural, tales como inosina, xantina, e hipoxantina, entre
otras). Esto se hace usando técnicas bien conocidas; ver Telser
et al., J. Am. Chem. Soc.
111:7226-7232 (1989); Telser et al., J.
Am. Chem. Soc. 111:7221-7226 (1989). Tal como se
ha esbozado en ésta, estos nucleósidos modificados de forma terminal
podrían unirse al ácido nucleico enzimáticamente como se conoce en
la técnica, usando polimerasas de ADN; alternativamente, los
nucleósidos modificados podrían incorporarse en una cadena
oligonucleotídica en crecimiento usando la tradicional química del
fosforamidito durante la síntesis del oligonucleótido, tal como se
esboza en ésta.
La amina expuesta u otro ligando en la posición
2' o 3' de la ribosa, los enlaces fosforamida, o los otros enlaces
útiles en la presente invención, son fácilmente modificados con una
variedad de grupos transferidores de electrones, y particularmente
con complejos de metales de transición, con técnicas fácilmente
conocidas en la técnica (ver por ejemplo, Millet et al., en
Metals in Biological Systems, Eds. Sigel et al., Vol.
27, pp. 223-264, Marcell Dekker Inc., Nueva York,
1991, Durham et al., en ACS Advances in Chemistry
Series, Eds. Johnson et al., Vol. 226, pp.
180-193, American Chemical Society, Washington
D.C.; y Meade et al., J. Am. Chem. Soc. 111:4353
(1989)). Generalmente, estas técnicas implican poner en contacto un
complejo de metal de transición parcialmente quelado con el grupo
amino del nucleósido modificado.
Las especies transferidoras de electrones se
añaden también al grupo funcional de los nucleósidos modificados,
tales como un grupo amino, usando técnicas conocidas en la
técnica.
Cuando se usan péptidos-ácidos nucleicos (PNA),
el anclaje de los grupos transferidores de electrones procede como
sigue. Al grupo amino en el extremo N-terminal del
PNA se le unirá un metal de transición parcialmente quelado o un
grupo orgánico transferidor de electrones de forma similar a la
ribosa modificada con amino. La adición al extremo
carboxi-terminal puede proceder de diferentes
formas, una de las cuales se ilustra en la Figura 7. Adicionalmente,
para PNA de hebra única, podría unirse un grupo transferidor de
electrones al extremo N-terminal, y el otro grupo
transferidor de electrones se une a la base terminal en el extremo
carboxi-terminal. Alternativamente, ambos grupos de
transferencia se unen a las bases terminales. Podrían hacerse
combinaciones similares para dos ácidos nucleicos de hebra única,
conteniendo cada uno un grupo transferidor de electrones.
Además, la presente invención proporciona un
procedimiento novedoso para la adición específica en un sitio del
esqueleto ribosa-fosfato de un ácido nucleico de
grupos donante de electrones y aceptor de electrones, a un
nucleósido previamente modificado.
En una realización, los grupos donante de
electrones y aceptor de electrones se unen al nucleósido modificado
mediante procedimientos que utilizan un único paso de hibridación
protectora. En esta realización, el ácido nucleico de hebra única
modificado se hibrida con una secuencia complementaria no
modificada. Esto bloquea los sitios sobre las bases heterocíclicas
que son susceptibles de ser atacados por las especies de
transferencia de electrones de metales de transición.
Cuando las bases terminales se han marcado con
especies transferidoras de electrones, la secuencia complementaria
no se extiende hasta la base a marcar. Esto es, se escoge una
secuencia complementaria de n nucleósidos de longitud para la
hibridación con una secuencia de sonda de n+1 o n+2, de tal forma
que la base terminal no está protegida. Por tanto, la base
desprotegida está expuesta al grupo transferidor de electrones, de
tal forma que el grupo se une a la base.
Después de la adición exitosa del complejo de
metal deseado, el dúplex de ácido nucleico modificado se separa en
hebras sencillas usando técnicas bien conocidas en la técnica.
En una realización preferida, se preparan ácidos
nucleicos de hebra única que contienen un grupo donante de
electrones y un grupo aceptor de electrones. Los grupos donante de
electrones y aceptor de electrones podrían unirse en cualquiera de
los extremos 5' ó 3' del ácido nucleico de hebra única.
Alternativamente, los grupos transferidores de electrones podrían
unirse a los nucleósidos internos, o uno a un nucleósido interno y
el otro a un nucleósido terminal. Debería entenderse que la
orientación de las especies transferidoras de electrones con
respecto a la orientación 5'-3' del ácido nucleico
no es determinante. Por tanto, tal como se esquematiza en la Figura
1, podría utilizarse cualquier combinación de nucleósidos internos y
externos en esta realización.
En una realización alternativa preferida, se usan
ácidos nucleicos de hebra única con al menos un grupo donante de
electrones y al menos un grupo aceptor de electrones para detectar
mutaciones en una secuencia diana complementaria. Una mutación,
tanto si es una sustitución, inserción o supresión de un nucleósido
o nucleósidos, resulta en el incorrecto emparejamiento de bases en
una hélice doble de ácido nucleico hibridado. En consecuencia, si la
vía de un electrón desde un grupo donante de electrones hasta un
grupo aceptor de electrones abarca la región en donde se halla el
emparejamiento erróneo, se eliminará o reducirá la transferencia del
electrón de forma que se observará un cambio en la velocidad
relativa. Por tanto, en esta realización, el grupo donante de
electrones se une al ácido nucleico en una posición 5' respecto de
la mutación, y el grupo aceptor de electrones se une en una posición
3', o viceversa.
En esta realización es también posible usar una
marca adicional sobre el ácido nucleico de hebra única modificado
para detectar la hibridación cuando hay uno o más emparejamientos
erróneos. Si el ácido nucleico complementario contiene una mutación,
la transferencia de electrones se reduce o elimina. Para actual como
un control, el ácido nucleico de hebra única modificado podría
marcarse radiactiva o fluorescentemente, de tal forma que pudiera
detectarse la hibridación con la secuencia diana, de acuerdo con
técnicas tradicionales de la biología molecular. Esto permite la
determinación de que la secuencia diana existe, pero contiene una
sustitución, inserción, o supresión de uno o más nucleósidos.
Alternativamente, los ácido nucleico de hebra única, con al menos un
grupo donante de electrones y un grupo aceptor de electrones, que se
hibridan con regiones que se emparejan exactamente pueden usarse
como un control de la presencia de la secuencia diana.
Debe entenderse que la velocidad de transferencia
del electrón a través de un hélice de un ácido nucleico de doble
hebra depende de la distancia entre nucleósidos entre los grupos
donante de electrones y aceptor de electrones. Longitudes mayores
tendrán velocidades más lentas, y la consideración de las
velocidades será un parámetro en el diseño de sondas y
bioconductores. Así pues, mientras que es posible medir velocidades
para distancias en exceso de los 100 nucleósidos, una realización
preferida tiene el grupo donante de electrones y el grupo aceptor de
electrones separados por al menos 3 y no más de 100 nucleósidos. Más
preferiblemente, los grupos están separados por de 8 a 64
nucleósidos, siendo 15 la distancia más preferida.
Además, debería notarse que ciertas distancia
podrían permitir la utilización de sistemas de detección diferentes.
Por ejemplo, la sensibilidad de algunos sistemas de detección podría
permitir la detección de velocidades extremadamente elevadas; es
decir, los grupos transferidores de electrones podrían estar juntos
más cerca.
Otros sistemas de detección podrían requerir
velocidades ligeramente más lentas, y, por tanto, permitir que los
grupos transferidores de electrones estuvieran más separados.
En una realización alternativa, un ácido nucleico
de hebra única se modifica con más de un grupo donante de electrones
o aceptor de electrones. Por ejemplo, para incrementar la señal
obtenida a partir de estas sondas, o disminuir la sensibilidad de
detector requerida, podrían usarse múltiples conjuntos de pares
donante de electrones-aceptor de electrones.
Tal como se ha esbozado más arriba, en algunas
realizaciones se añaden diferentes grupos transferidores de
electrones a un ácido nucleico de hebra única. Por ejemplo, cuando
deben añadirse un grupo donante de electrones y un grupo aceptor de
electrones, o varios donantes de electrones o aceptores de
electrones, la síntesis del ácido nucleico de hebra única procede en
varios pasos. Primero se construyen las secuencias de ácido
nucleico, conteniendo cada una de ellas una única especie
transferidora de electrones, es decir, o un único grupo transferidor
de electrones o varias de la mismos grupos de transferencia, usando
la técnicas esbozadas más arriba. A continuación, estas secuencias
parciales de ácido nucleico se ligan juntas usando técnicas comunes
en el campo, tales como la hibridación de los ácido nucleico
parciales modificados individuales a una única hebra complementaria,
seguida por ligación con una ligasa comercialmente disponible.
Alternativamente, podría construirse el ácido
nucleico de hebra única incorporando un nucleósido modificado con
amino en dos posiciones usando las técnicas anteriores. A resulta de
la síntesis, uno de los nucleósidos
amino-modificados tiene temporalmente un grupo
protector sobre la amina, tal como el DMT. A partir de la
hibridación con la hebra complementaria no modificada, la amina
desprotegida se expone al primer grupo transferidor de electrones,
es decir, bien a un donante o a un aceptor, resultando en el anclaje
covalente. El grupo protector del nucleósido
amino-modificado protegido se retira entonces, y el
híbrido se pone en contacto con la segunda especie transferidora de
electrones, y se separan las hebras, resultando en un hebra única
que está marcada con ambos, el donante y el aceptor. La hebra única
que contiene el grupo transferidor de electrones apropiado se
purifica a continuación usando técnicas tradicionales.
En una realización preferida, se preparan ácidos
nucleicos de hebra única que contienen un grupo donante de
electrones o un grupo aceptor de electrones. Los grupos donante de
electrones o aceptor de electrones se unen en uno cualquiera de los
extremos 5' ó 3' del ácido nucleico de hebra única.
Alternativamente, el grupo donante de electrones se une a un
nucleósido interno.
Debe entenderse que podrían unirse diferentes
especies de grupos donante de electrones y aceptor de electrones a
un ácido nucleico de hebra única. Por tanto, podría añadirse más de
un tipo de grupo donante de electrones o grupo aceptor de electrones
a cualquier ácido nucleico de hebra única.
En una realización preferida, se prepara un
primer ácido nucleico de hebra única con uno o más grupos donantes
de electrones unidos. Un segundo ácido nucleico de hebra única tiene
uno o más grupos aceptores de electrones unidos. En esta
realización, los ácido nucleico de hebra única se preparan para su
uso como sondas de una secuencia diana complementaria. En una
realización, la secuencia diana complementaria se construye hasta un
primer dominio diana y un segundo dominio diana, en donde las
secuencias primera y segunda están directamente adyacentes la una
con la otra. En esta realización, el primer ácido nucleico de hebra
única, que contiene sólo grupos donantes de electrones o grupos
aceptores de electrones pero no ambos, se hibrida con el primer
dominio diana, y el segundo ácido nucleico de hebra única, que sólo
contiene la especies transferidora de electrones correspondiente, se
une al segundo dominio diana. La orientación relativa de las
especies transferidoras de electrones no es importante, tal como se
esquematiza en la Figura 2, y se pretende que la presente invención
incluya todas las orientaciones posibles.
En el diseño de sonda formadas por dos ácido
nucleico de hebra única que se hibridan a secuencias diana primera y
segunda adyacentes, deberían considerarse varios factores. Estos
factores incluyen la distancia entre el grupo donante de electrones
y el grupo aceptor de electrones en la forma hibridada, y la
longitud de las sondas de hebra única individuales. Por ejemplo,
podría ser deseable sintetizar sólo sondas marcadas de forma
terminal en 5'. En este caso, el ácido nucleico de hebra única que
se hibrida con la primera secuencia podría ser relativamente corto,
de tal forma que pudiera conseguirse la distancia deseable entre las
sondas. Por ejemplo, si la distancia óptima entre los grupos
transferidores de electrones es de 15 nucleósidos, la primera sonda
podría tener 15 nucleósidos de longitud.
En un aspecto de esta realización, los dos ácidos
nucleicos de hebra única que se han hibridado con los dominios
primero y segundo adyacentes se ligan juntos antes de la reacción de
transferencia de electrones. Esto podría realizarse usando técnicas
estándares de biología molecular utilizando una ligasa de ADN, tal
como la ligasa de ADN de T4.
En una realización alternativa, la secuencia
diana complementaria tendrá un primer dominio diana, un dominio
diana interpuesto, y un segundo dominio diana. En esta realización,
el primer ácido nucleico de hebra única modificado, que contiene
sólo grupos donantes de electrones o grupos aceptores de electrones,
pero no ambos, se hibrida con el primer dominio diana, y el segundo
ácido nucleico modificado de hebra única, que contiene sólo las
especies transferidoras de electrones correspondientes, se une al
segundo dominio diana. Cuando un ácido nucleico de hebra única
interpuesto se hibrida con la secuencia diana interpuesta, la
transferencia entre el donante de electrones y el aceptor de
electrones es posible. La secuencia interpuesta podría tener
cualquier longitud, y podría comprender un único nucleósido. No
obstante, su longitud debería tomar en consideración las distancias
deseables entre los grupos donante de electrones y aceptor de
electrones sobre los ácido nucleico modificados primero y segundo.
Las secuencia interpuestas con longitudes superiores a 14 son
deseables, puesto que, si se usan secuencias más largas, es más
probable que la secuencia interpuesta permanezca hibridada para
formar un ácido nucleico de doble hebra. La presencia o ausencia de
una secuencia interpuesta puede usarse para detectar inserciones o
supresiones.
En un aspecto de esta realización, el primer
ácido nucleico de hebra única hibridado con el primer dominio diana,
el ácido nucleico interpuesto hibridado con el dominiointerpuesto, y
el segundo ácido nucleico de hebra única hibridado con el segundo
dominio diana, podrían ligarse juntos antes de la reacción de
transferencia de electrones. Esto podría realizarse usando técnicas
estándares en biología molecular. Por ejemplo, cuando los ácido
nucleico son de ADN, puede usarse una ligasa de ADN, tal como la
ligasa de ADN de T4.
El ácido nucleico de hebra única diana
complementario de la presente invención podría adoptar muchas
formas. Por ejemplo, la secuencia de ácido nucleico de hebra única
diana complementaria podría estar contenida en una secuencia de
ácido nucleico mayor, es decir, todo o parte de un gen o mARN, un
fragmento de restricción de un plásmido o ADN genómico, entre otros.
Alguien formado en el campo de la biología molecular comprenderá
como construir sondas útiles para una diversidad de secuencias
dianas usando la presente invención.
En una realización, dos ácidos nucleicos de hebra
única con grupos transferidores de electrones covalentemente unidos
tiene secuencias complementarias, de forma que pueden hibridarse
juntos para formar un bioconductor. En esta realización, el dúplex
hibridado es capaz de transferir al menos un electrón desde el grupo
donante de electrones hasta el grupo aceptor de electrones. En una
realización preferida, los ácidos nucleicos de hebra única
individuales están alineados de forma que tienen extremos romos; en
realizaciones alternativas, los ácidos nucleicos están alineados de
forma tal que la hélice doble tiene extremos adhesivos. En cualquier
realización se prefiere que halla un emparejamiento bases de la
doble hélice ininterrumpido entre el grupo donante de electrones y
el grupo aceptor de electrones, de tal forma que los electrones
viajen a través de la pila de pares de bases.
En una realización de bioconductor, el ácido
nucleico de hebra doble tiene un ácido nucleico de hebra única que
porta todos los grupos transferidores de electrones.
En otra realización, los grupos transferidores de
electrones podrían estar sobre una de las dos hebras, y en cualquier
orientación. Por ejemplo, una hebra podría portar sólo donantes de
electrones, y la otro sólo aceptores de electrones, o ambas hebras
podrían portar ambos.
En una realización, el ácido nucleico de doble
hebra podría tener diferentes grupos transferidores de electrones
covalentemente unidos en una orientación fijada, para facilitar la
transferencia de electrones a largas distancias. Este tipo de
sistema saca partido del hecho de que las especies transferidoras de
electrones pueden actuar como ambos, donantes de electrones y
aceptores de electrones, dependiendo de su estado oxidativo. De este
modo, un grupo donante de electrones, después de la pérdida de un
electrón, podría actuar como un aceptor de electrones, y viceversa.
Así pues, los grupos transferidores de electrones podrían orientarse
secuencialmente sobre cualquiera de las hebras del ácido nucleico de
doble hebra, de tal forma que podría conseguirse la transferencia
direccional de un electrón a lo largo de distancias muy largas. Por
ejemplo, un ácido nucleico de doble hebra podría contener un único
grupo donante de electrones en un extremo y grupos aceptor de
electrones, de la misma o diferente composición, a lo largo de la
molécula. De esta manera podría conseguirse un efecto de cascada de
la transferencia de electrones, el cual podría resultar en rangos de
transferencia de electrones extremadamente largos. Esto podría
conseguirse, por ejemplo, incorporando complejos de metales de
transición que poseen un rango en potenciales de oxidación debido a
sustituciones del ligando realizada en el centro metálico.
La elección de los pares donante de electrones y
aceptor de electrones específicos estará influenciada por el tipo de
medición de la transferencia de electrones usada; para una revisión,
consultar Winkler et al., Chem. Rev.
92:369-379 (1992). Cuando puede prepararse un estado
excitado de vida larga en uno de los sitios redox, puede medirse la
medición directa de la velocidad de transferencia de electrones
después de la fotoinducción, usando, por ejemplo, el procedimiento
de extinción del destello de Chang et al., J. Am. Chem.
Soc. 113:7057 (1991). En esta realización preferida, el sitio
redox excitado, siendo tanto un aceptor y donante mejor que las
especies en el estado basal, puede transferir electrones a o desde
el par redox. Una ventaja de este procedimiento es que podrían
medirse dos velocidades de transferencia de electrones: las
velocidades de transferencia de electrones fotoinducidas y las
reacciones de recombinación electrón-hueco térmicas.
De este modo podrían velocidades diferenciales para los ácido
nucleico hibridados con complementariedad perfecta y ácido nucleico
con emparejamientos erróneos.
En realizaciones alternativas, ningún sitio redox
tiene un estado de excitación de vida larga, y la medición de la
transferencia del electrón depende de la generación biomolecular de
un intermediario cinético. Para una revisión, ver Winkler et
al., más arriba. Este intermediario se relaja a continuación al
producto termodinámico a través de la transferencia intramolecular
usando un atenuador (quencher), tal como se observa más
abajo:
D-A + hv ->
D-A^{-}
D-A^{-} + Q ->
D-A^{+} +
Q^{-}
D-A^{+} ->
D^{+}-A
D^{+}-A + Q^{-} ->
D-A +
Q
El límite superior de velocidades de
transferencia de electrones intramoleculares medibles usando este
procedimiento es de aproximadamente 10^{4} por segundo.
Realizaciones alternativas usan la generación con
pulso radiolítico de radicales oxidantes y reductores, los cuales
inyectan electrones en un donante o retiran electrones desde un
donante, tal como se revisó en Winkler et al., ver más arriba.
Tal como se apreciará en la técnica, hay una
diversidad de vías para iniciar y detectar la transferencia de
electrones.
La transferencia de electrones puede iniciarse
y detectarse usando una amplia variedad de procedimientos,
incluyendo, pero no limitándose a, procedimientos eléctricos,
electroquímicos, de radiación electromagnética (óptica), y
químicos. Es posible preparar una variedad de composiciones
utilizando diferentes grupos transferidores de electrones
dependiendo del procedimiento deseado de inicio de la transferencia
de electrones y de detección de la transferencia. La TABLA 2 ilustra
una variedad de combinaciones preferidas para la iniciación y
detección de la transferencia de electrones en los complejos de la
invención.
Iniciación | Detección | Descripción |
luz | luz | absorbancia, fluorescencia, fosforescencia, índice de refracción, |
resonancia plasmón de superficie, resonancia de espín electrónico. | ||
luz | corriente | amperimetría, voltimetría, capacitancia, impedancia, detección |
opto-electrónica, foto-amperimetría | ||
luz más iniciación | luz | absorbancia, fluorescencia, fosforescencia, índice de refracción, |
electrónica | resonancia plasmón de superficie, resonancia de espín electrónico. | |
luz más iniciación | corriente | amperimetría, voltimetría, capacitancia, impedancia, detección opto-electrónica, |
electrónica | foto-amperimetría, detección amperimétrica, voltimetría cíclica. | |
iniciación | corriente | amperimetría, voltimetría, capacitancia, impedancia, detección |
electrónica | amperimétrica, voltimetría cíclica. | |
iniciación | luz | quimioluminiscencia, electroquimioluminscencia, |
electrónica | electroluminiscencia. |
Por ``luz'' en ésta se quiere indicar radiación
electromagnética, prefiriéndose luz en el rango UV, visible e
infrarrojo, y siendo UV e infrarrojo los más preferidos.
En una realización preferida, la iniciación de la
transferencia de electrones es a través de la fotoactivación
(``entrada de luz'') directa o indirecta. Simplemente, la radiación
electromagnética de longitud de onda apropiada incide sobre la
molécula redox en un extremo del ADN, causando la excitación de un
electrón del grupo donante, el cual decae inmediatamente o se
implica en la transferencia de electrones intramolecular. La
eficiencia con la cual se induce la transferencia de electrones
depende del acoplamiento electrónico entre el donante y el aceptor
de electrones, y, por tanto, depende de si el ácido nucleico es de
hebra única o doble. Además, la eficiencia de la transferencia de
electrones depende del coeficiente de extinción del donante de
electrones a la longitud de onda usada (mayor es mejor) y del tiempo
de vida del estado excitado del donante de electrones (más duración
es mejor). Por tanto, los complejos donantes preferidos incluyen el
naranja de acridina, el dicloruro de
N,N'-dimetil-2,7-diazapirenium
(DAP^{2+}), el metilviologen, el bromuro de etidio, quinonas
tales como el dicloruro de
N,N'-dimetilantra(2,1,9-def:6,5,10-d'e'f')diisoquinolina
(ADIQ^{2+}); porfirinas (tetracloruro de
[meso-tetraquis(N-metil-x-piridinio)porfirina]).
Los donantes y aceptores de metales de transición incluyen los
complejos de rutenio, renio y osmio (el más preferido), en donde al
menos uno de los ligandos es un cromóforo.
La fotoactivación también puede usarse para
excitar ``mediadores'' que transfieren energía al grupo donante de
electrones sobre el AND a través de un proceso intermolecular. Tales
mediadores incluyen complejos solubles en agua y estables de los
metales de transición, incluyendo los haluros de molibdeno y
tungsteno, los complejos trisbipiridil de renio, osmio y rutenio.
Además, otros ejemplos incluyen complejos de bipiridil y piridil
tales como el Re(bpy)(CO)_{3}X, en donde X es un
haluro y Re(py)_{4}O_{2}. Otros ejemplos incluyen
dímeros de metales de transición tales como
\hbox{[Re _{2} Cl _{8} ] ^{2-} }y [Pt_{2}(P_{2}O_{5}H_{2})_{4}]^{4-}. La trisbipiridina de rutenio (Ru^{2+}(bpy)_{3}) es el más preferido.
En la realización preferida, la transferencia de
electrones ocurre después de fotoinducción con un láser. En esta
realización, los grupos donante de electrones podrían, después de
donar un electrón, servir como aceptores de electrones bajo ciertas
circunstancias. Similarmente, los grupos aceptor de electrones
podrían servir como donante de electrones bajo ciertas
condiciones.
Una realización preferida utiliza la activación
electrónica, siendo la preferida con voltaje. Se aplica un potencial
a una muestra que contiene sondas de ácido nucleico modificado, bien
a través de un enlace directo del ácido nucleico modificado a un
electrodo, o usando mediadores del transporte de electrones. La
unión directa puede implicar un polímero redox activo para
transferir los electrones desde (y hacia, si se usa el electrodo
también para la detección) el electrodo. Tales polímeros de esbozan
más abajo. Alternativamente, la conexión directa puede implicar un
enlace relativamente pobre conductor, a condición de que el enlace
se mantenga razonablemente corto (menos de seis enlaces sigma). Los
enlaces preferidos tendrán tres o menos enlaces sigma de longitud
para permitir la transferencia eficiente de electrones desde el
electrodo, tal como se esboza más arriba.
La iniciación indirecta de la transferencia de
electrones implica mediadores de la transferencia de electrones, o
donante de electrones y aceptor de electrones difusionalmente
eficientes, tales como el ferroceno/ferricinio soluble en agua,
hidroquinonas/quinonas, componentes de sales orgánicos reducibles y
oxidables, cobaltocenos, los hexa-y octacianuros de
molibdeno, tungsteno y hierro. Además, otros ejemplos incluyen
macrociclos y ligandos quelantes de metales de transición tales como
el cobalto, rutenio y níquel, incluyendo el
Co(etilenediamina)_{3} y
Ru(etilenediamina)_{3}, y los complejos de
trisbipiridil y hexamina de metales de transición tales como el Co,
Ru, Fe, y Os. Ver K. Alyanasundaram, Coord. Chem. Rev. V. 46,
p. 159, 1982. Finalmente, las moléculas orgánicas tales como la
4,4-bipiridina y la
4-mercaptopiridina son ejemplos en los que el
ferroceno es el más preferido.
El control preciso y las variaciones en el
potencial aplicado pueden realizarse a través de un potenciostato y
de un sistema de tres electrodos (uno de referencia, uno para la
muestra, y un contra-electrodo). Esto permite
igualar el potencial aplicado al pico de potencial de transferencia
de electrones del sistema, el cual depende en parte de la elección
de aceptores de electrones unidos al ácido nucleico. Las fuerzas
directoras se consiguen usando complejos de bisbipiridil de metales
de transición, por ejemplo, complejos de bisbipiridil de rutenio y
renio, tales como el
\hbox{(Ru(bpy) _{2} im-)}, como aceptores de electrones.
Alternativamente, podría usarse la iniciación
electroquímica de la transferencia de electrones. Los estados redox
de los grupos donantes de electrones y aceptores de electrones
unidos al ácido nucleico pueden ser cambiados electroquímicamente
usando oxidantes y reductores químicos solubles en agua, con o sin
activación eléctrica o fotoactivación. Tales compuestos incluyen
numerosos derivados conocidos en la técnica (T. Kuwana,
Electrochemical Studies of Biological Systems, Ed. D. T.
Sawyer, ACS Symp. Series, #38 (1977)), e incluyen los complejos
hexaciano del hierro, la amalgama de zinc-mercurio,
y los complejos trisfenantrolina de rutenio y hierro.
La transferencia de electrones a través del ácido
nucleico puede detectarse en una diversidad de formas. Podrían
usarse una variedad de procedimientos de detección, incluyendo, pero
no limitándose a, la detección óptica, que incluye la fluorescencia,
fosforescencia, y el índice de refracción; y la detección
electrónica, incluyendo, pero no limitándose a, amperimetría,
voltimetría, capacitancia, e impedancia. Estos procedimientos
incluyen procedimientos dependientes del tiempo o de la frecuencia
basados en corrientes AC o DC, procedimientos pulsados, técnicas de
fijación, técnicas de filtrado (paso alto, paso bajo, paso de banda)
y resueltas en el tiempo, incluyendo la fluorescencia resuelta en el
tiempo. En algunas realizaciones, todo lo que se requiere es la
detección de la transferencia de electrones; en otras, podría
determinarse la velocidad de transferencia de electrones.
En una realización, la transferencia eficiente de
electrones desde un extremo de un ácido nucleico de doble hélice al
otro resulta en cambios esteriotipados en el estado redox de ambos,
el donante de electrones y el aceptor de electrones. Con muchos
grupos transferidores de electrones incluyendo los complejos de
rutenio que contienen bipiridina, piridina y anillos imidazol, estos
cambios en el estado redox están asociados con cambios en las
propiedades espectrales (``luces fuera''). Se observan diferencias
significativas en la absorbancia entre los estados reducidos y
oxidados de estas moléculas. Estas diferencias pueden monitorizarse
usando un espectrofotómetro o un sencillo aparato con tubo
fotomultiplicador.
En esta realización, los posibles donantes y
aceptores de electrones incluyen todos los derivados listados más
arriba para la fotoactivación o iniciación. Los donantes y aceptores
de electrones preferidos tienen cambios espectrales
característicamente grandes a partir de la oxidación y reducción
(grandes ``deltas'' en los coeficientes de extinción), resultando en
la monitorización altamente sensible de la transferencia de
electrones. Tales ejemplos incluyen el
Ru(NH_{3})_{4} py y Ru(bpy)_{2}im
como ejemplos preferidos. Debería entenderse que sólo el donante o
aceptor que se está monitorizando mediante absorbancia tiene que
tener características espectrales ideales. Esto es, el aceptor de
electrones puede ser ópticamente invisible si sólo se monitoriza el
donante de electrones para cambios en la absorbancia.
En una realización preferida, la transferencia de
electrones se detecta fluorométricamente. Numerosos complejos de
metales de transición, incluyendo aquéllos de rutenio, tienen
propiedades fluorescentes características. Por tanto, el cambio en
el estado redox de los donantes de electrones y aceptores de
electrones unidos al ácido nucleico puede monitorizarse con mucha
sensibilidad usando la fluorescencia. La altamente eficiente
transferencia de electrones a través del ácido nucleico de doble
hebra puede, por ejemplo, resultar en la producción de
\hbox{Ru(4,7-bifenil _{2} -fenantrolina) _{3} ^{2+} }en un extremo de una sonda de ácido nucleico cuando se excita el grupo transferidor de electrones del otro extremo. La producción de este compuesto puede medirse fácilmente usando técnicas estándares de ensayo de fluorescencia. Por ejemplo, la fluorescencia inducida por láser puede registrarse en un fluorímetro de celda única estándar, un fluorímetro ``en línea'' con flujo a través (tales como los unidos a un sistema de cromatografía), o en un ``lector de placas'' de múltiples muestras similar a los comercializados para inmunoensayos de 96 pocillos.
Alternativamente, la fluorescencia puede medirse
usando sensores de fibra óptica con sondas de ácido nucleico en
solución o unidas a la fibra óptica. La fluorescencia se monitoriza
usando un tubo fotomultiplicador, u otro instrumento detector de luz
unido a la fibra óptica. La ventaja de este sistema es que pueden
ensayarse volúmenes de muestra extremadamente pequeños.
Además, los detectores de barrido de
fluorescencia, tales como el FluorImager vendido por Molecular
Dynamics, son idealmente apropiados para monitorizar la
fluorescencia de moléculas de ácido nucleico modificado ordenados
sobre superficies sólidas. La ventaja de este sistema es el gran
número de sondas transferidoras de electrones que pueden barrerse de
una vez usando chips recubiertos con miles de distintas sondas de
ácido nucleico.
Muchos complejos de metales de transición
muestran fluorescencia con grandes desplazamientos de Stokes. Los
ejemplos apropiados incluyen los complejos de bis-y
trisfenantrolina y los complejos de bis-y
trisbipiridil de metales de transición tales como el rutenio (ver
Juris, A., Balzani, V., et al., Coord. Chem. Rev. V.
84, p. 85-277, 1988). Los ejemplos preferidos
muestran una fluorescencia eficiente (rendimiento cuántico
razonablemente elevado) así como energía de reorganización bajas.
Estos incluyen la
Ru(4,7-bifenil_{2}-fenantrolina)_{3}^{2+}
y la Ru(4,4'-bifenil-2,2'-
\hbox{bipiridina) _{3} ^{2+} .}
Alternativamente, puede medirse una
reducción en la fluorescencia asociada con la hibridación
usando estos sistemas. Un molécula ``donante'' transferidora de
electrones que fluoresce fácilmente cuando está sobre un ácido
nucleico de hebra única (con un ``aceptor'' en el otro extremo),
experimentará una reducción en la intensidad de fluorescencia cuando
un ácido nucleico complementario se une a la sonda, permitiendo la
transferencia eficiente del electrón del estado excitado. Esta
disminución en la fluorescencia puede monitorizarse fácilmente como
un indicador de la presencia de una secuencia diana usando los
mismos procedimientos que más arriba.
En una realización ulterior, se usa la
electroquimioluminiscencia como la base de la detección de la
transferencia de electrones. Con algunos grupos transferidores de
electrones tales como el Ru^{2+}(bpy)_{3}, la
luminiscencia directa acompaña el decaimiento del estado excitado.
Los cambios en esta propiedad están asociados con la hibridación de
ácidos nucleicos y pueden monitorizarse con una disposición de un
sencillo tubo fotomultiplicador (ver Blackburn, G. F., Clin.
Chem. 37:1534-1539 (1991); y Juris et
al., ver más arriba.
En una realización preferida se usa la detección
electrónica, incluyendo la amperimetría, voltimetría, capacitancia e
impedancia. Las técnicas apropiadas incluyen, pero no se limitan a,
la electrogravimetría; la coulometría (incluyendo la coulometría de
potencial controlado y la coulometría de corriente constante); la
voltimetría (voltimetría cíclica, la voltimetría de pulso
(voltimetría de pulso normal, voltimetría de pulso rectangular,
voltimetría de pulso diferencial, voltimetría de onda rectangular de
Osteryoung, y técnicas de pulso coulostático); el análisis de
despojamiento (stripping) (análisis de despojamiento anódico,
análisis de despojamiento catódico, voltimetría de despojamiento de
onda rectangular); las mediciones de conductancia (conductancia
electrolítica, análisis directo); los análisis electroquímicos
dependientes del tiempo (cronoamperimetría, cronopotenciometría,
cronopotenciometría y amperimetría cíclicas, polarigrafía de AC,
cronogalvametría, y cronocoulometría); la medición de la impedancia
de AC, la medición de la capacitancia; y la fotoelectroquímica.
En una realización preferida, la monitorización
de la transferencia de electrones a través de ácido nucleico es
mediante detección amperimétrica, bien directamente usando un
electrodo unido covalentemente, o indirectamente usando
``mediadores'' del transporte de electrones para enviar electrones
desde el ácido nucleico hacia un electrodo. Los modos de anclar los
ácidos nucleicos a los electrodos y los posibles mediadores se
describen más abajo. En detector amperométrico se parecería a los
numerosos biosensores basados en enzimas actualmente usados, por
ejemplo, para monitorizar la glucosa en sangre. Este procedimiento
de detección implica aplicar un potencial (en comparación con un
electrodo de referencia separado) entre el electrodo conjugado con
el ácido nucleico y un (contra-) electrodo auxiliar, en la muestra
que contiene genes diana de interés. Se induce en la muestra la
transferencia de electrones con distintas eficiencias en presencia o
ausencia del ácido nucleico diana; es decir, la sonda de hebra única
presenta una velocidad diferente de la sonda hibridada con la
secuencia diana. Las diferentes eficiencias de la transferencia de
electrones resultan en la generación de diferentes corrientes en el
electrodo.
El aparato para medir la transferencia de
electrones amperimétricamente implica la detección sensible de
corriente (nanoamperios a picoamperios), e incluye un medio de
controlar el potencial del voltaje, usando un potenciostato. Este
voltaje se optimiza con referencia al potencial del complejo donante
de electrones sobre el ácido nucleico. Los posibles complejos
donantes de electrones incluyen los previamente mencionados, siendo
los complejos de rutenio los preferidos, y siendo los complejos de
renio los más preferidos.
En una realización preferida, se utilizan modos
alternativos de detección de la transferencia de electrones. Por
ejemplo, mediciones potenciométricas (o voltimétricas) que implican
procesos no-faradaicos (sin flujo neto de corriente)
y se usan tradicionalmente en detectores de pH y otros iones.
Se usan sensores similares para monitorizar la transferencia de
electrones a través de ácido nucleico. Además, podrían usarse otras
propiedades de aislantes (tales como la resistencia) y de
conductores (tales como conductividad, impedancia y capacitancia)
para monitorizar la transferencia de electrones a través del ácido
nucleico. Finalmente, cualquier sistema que genera una corriente
(tal como la transferencia de electrones) también genera un pequeño
campo magnético, el cual podría monitorizarse en algunas
realizaciones.
Debería entenderse que un beneficio de las
elevadas velocidades de transferencia de electrones observadas en
las composiciones de la invención, es que la resolución temporal
puede mejorar enormemente los resultados de
señal-ruido de los monitores basados en la
absorbancia, fluorescencia y la corriente eléctrica. Las velocidades
rápidas de transferencia de electrones de la presente invención
resultan en ambos, señales elevadas y retrasos estereotipados entre
la iniciación y la conclusión de la transferencia de electrones.
Amplificando señales con retrasos particulares, tal como a través
del uso de la iniciación pulsada de la transferencia de electrones y
de amplificadores de detección fijados, podrían conseguirse mejoras
de entre dos y cuatro órdenes de magnitud en la relación
señal-ruido.
En una realización preferida, el ADN se modifica
mediante la adición de grupos donante de electrones y aceptor de
electrones. En una realización alternativa se modifica ARN. En una
realización ulterior, un ácido nucleico de doble hebra para usar
como bioconductor contendrá algunos nucleósidos de desoxirribosa,
algunos nucleósidos de ribosa, y una mezcla de bases de adenosina,
timidina, citosina, guanina y uracilo.
De acuerdo con un aspecto ulterior de la presente
invención, las formulaciones preferidas para donantes y aceptores
poseerán un metal de transición covalentemente anclado a una serie
de ligandos, y anclado covalentemente además a un grupo amino como
parte del anillo de ribosa (posición 2' ó 3'), o a un átomo de
nitrógeno o de azufre como parte de un dímero de nucleósido enlazado
por un enlace peptídico, enlace fosforamidato, enlace
fosforaotioato, enlace fosforoditioato, o enlace
O-metil-fosforamidato.
En una realización preferida, un oligonucleótido
que contiene al menos un grupo transferidor de electrones se ancla a
un electrodo, el cual sirve también como grupo transferidor de
electrones, formando de este modo un ácido nucleico de hebra única
con ambos, un grupo donante de electrones y un grupo aceptor de
electrones unidos de la forma esbozada más arriba. Preferiblemente,
el ácido nucleico de hebra única que contiene un grupo transferidor
de electrones se une covalentemente, o de tal forma que permite la
transferencia de electrones desde el electrodo hasta el ácido
nucleico de hebra única con objeto de permitir la transferencia de
electrones entre el donante de electrones y el aceptor.
Preferiblemente, el grupo transferidor de electrones que no es
electrodo se une en o cerca del extremo del oligonucleótido, de tal
forma que la secuencia de la sonda a hibridarse con la secuencia
diana está entre el donante y el aceptor. El electrodo podría
sumergirse en una muestra conteniendo la secuencia diana, de tal
forma que la secuencia diana se hibrida con la sonda, y puede
detectarse una transferencia de electrones usando las técnicas
esbozadas más arriba.
En una realización adicional, se utilizan dos
ácidos nucleicos como sonda como se ha descrito previamente. Por
ejemplo, uno ácido nucleico está unido covalentemente a un electrodo
sólido, el cual sirve como un grupo transferidor de electrones, y el
otro con un grupo transferidor de electrones unido covalentemente
está libremente en solución. A partir de la hibridación con la
secuencia diana, los dos ácidos nucleicos se alinean de tal forma
que ocurre la transferencia de electrones entre el grupo
transferidor de electrones del ácido nucleico hibridado y el
electrodo. La transferencia de electrones se detecta tal como se
esbozó más arriba, usando técnicas bien conocidas en la técnica.
Los siguientes ejemplos sirven para describir más
detalladamente la manera de usar la invención descrita más arriba,
así como para detallar los mejores modos contemplados de realizar
varios aspectos de la invención. Se comprenderá que estos ejemplos
en modo alguno sirven para limitar el verdadero ámbito de esta
invención, sino que se presentan con propósitos ilustrativos.
Las unidades de monómeros
amino-modificados se preparan mediante una variación
de procedimientos publicados, y se incorporan en el oligonucleótido
en crecimiento mediante técnicas sintéticas estándares. El
procedimiento es aplicable a ambos, derivados de ADN y ARN.
En este ejemplo se produjo un ácido nucleico de
doble hebra de ocho nucleótidos, teniendo cada hebra sencilla un
único grupo transferidor de electrones covalentemente anclado al
nucleótido de uridina terminal en 5', en el carbón 2' del azúcar de
ribosa.
Paso
1
La
2'-(trifluoroacetamido)-2'-desoxiuridina
(2,0 g, 5,9 mmoles), preparada mediante una modificación menor de
los procedimientos publicados (Imazawa, más arriba), se disolvió
repetidamente en un mínimo de CH_{3}CN muy seco y se evaporó con
rotación hasta su sequedad, y a continuación se transfirió a una
línea de vacío con atmósfera inerte y se secó aún más durante un
período de 1 jora. El procedimiento siguiente para la síntesis del
material se adaptó de Gait (más arriba): bajo presión positiva de
argón, se disolvió el material en piridina recién seca y destilada,
y con agitación, se añadieron a la mezcla de reacción 0,05
equivalentes (en peso) de 4-dimetilaminopiridina
(DMAP), 1,5 equivalentes de trietilamina (TEA), y 1,2 equivalentes
de cloruro de 4,4'-dimetoxitritilo
(DMTr-Cl). El progreso de la reacción se monitorizó
mediante TLC en gel de sílice (98:2 cloruro de metilo:metanol, fase
móvil). Transcurridos 30 minutos, se añadieron 0,5 equivalentes
adicionales de cada uno de DMTr-Cl y TEA, y se dejó
progresar la reacción durante tres horas adicionales. A esta mezcla
de reacción se le añadió un volumen igual de agua y se extrajo la
solución varias veces con dietiléter. Las capas de éter se
evaporaron con rotación hasta su sequedad, se redisolvieron en una
cantidad mínima de cloruro de metilo, y se purificaron mediante
cromatografía flash (99:1 cloruro de metilo:metanol, fase móvil),
para obtener el producto
5'-di(p-metoxifenil)metil
éter-2'-(trifluoroacetamido)-2'-desoxiuridina.
Paso
2
La
5'-di(p-metoxifenil)metil
éter-2'-(trifluoroacetamido)-2'-desoxiuridina
se secó bajo presión reducida (vidrio) y se disolvió en CH_{3}CN
recién secado y destilado, y se colocó en un vial cónico
especialmente construido, y se colocó sobre un sintetizador de ADN
ABI. El programa para la preparación de oligonucleótido estándares
(es decir, no modificados) se alteró durante la adición de la base
final (amino-modificada) hasta un tiempo de
acoplamiento de 15-30 minutos. El oligonucleótido se
separó de la columna mediante procedimientos estándares y se
purificó mediante HPLC con fase reversa sobre C-18.
De esta manera se prepararon los
5'-2'-aminouridina-GCTACGA
y
5'-2'-aminouridina-CGTAGCA.
Además, se prepararon hebras complementarias de ambos productos
para su uso en la síntesis de grupos de transferencia de electrones
de más abajo.
Paso
3
La
5'-2'-aminouridina-GCTACGA
producida en el paso previo se asoció con la hebra complementaria no
modificada usando técnicas estándares. Todas las manipulaciones del
dúplex asociado, antes de la adición del complejo de metal de
transición se realizaron a 4ºC. Con objeto de asegurar que el ADN
permanecía asociado durante la modificación, las reacciones se
realizaron en sal 1 M. El dúplex de ADN modificado con amino en 5'
se disolvió en HEPES 0,2 M, NaCl 0,8 M, pH 6,8, y se evacuó
repetidamente sobre una línea Schlenk. El carbonato de rutenio
bisbipiridina previamente preparado se disolvió en el tampón
anterior y se suprimió el oxígeno mediante evacuación repetida y
purgando con argón a través de una línea Schlenk. El complejo de
rutenio se transfirió a una solución de ADN a través de canulación
(argón/vacío) y se dejó progresar la reacción bajo presión positiva
de argón, con agitación, durante 24 horas. A esta reacción se le
añadieron 50 equivalentes de imidazol en el frasco de reacción, y se
dejó progresar la reacción durante 24 horas adicionales. Se retiró
la mezcla de reacción de la línea de vacío y se aplicó sobre una
columna de filtración en gel PD-10, y se eluyó con
agua para retirar el exceso de complejo de rutenio. El volumen de
las fracciones recolectadas se redujo hasta sequedad a través de un
speed-vac, y el sólido se disolvió en acetato
de trimetilamonio 0,1 M (TEAC), pH 6,0. El dúplex de ADN se
calentó hasta 60ºC durante 15 minutos con formamida al 50% para
desnaturalizar el dúplex. El ADN de hebra única se purificó usando
HPLC con fase inversa, con una columna C-18,
equipada con un detector de matriz de diodos, y empleando un
gradiente desde el 3% hasta el 35% de acetonitrilo en TEAC 0,1 M,
pH 6,0.
Paso
4
La
5'-2'-aminouridina-CGTAGCA
(0,3 \muM) se disolvió en tampón HEPES 0,2 M, NaCl 0,8 M,
pH 6,8, y se desgasó en la línea de vacío. A un frasco de
forma cónica, de 10 ml, equipado con una barra de agitación y un
septo se le añadió cloruro de Ru(III) tetraaminopiridina en
forma de papilla (10 \muM), en el mismo tampón. En un frasco
separado, se preparó amalgama de Zn/Hg y se secó bajo presión
reducida, y se transfirió la solución de rutenio(III) (a
través de canulación) a la amalgama Zn/Hg. La formación inmediata de
una solución amarilla clara (\lambda_{max} = 406 nm) indico que se
había conseguido la forma reducida del rutenio, y se dejó progresar
la reacción durante 30 minutos. Esta solución se transfirió al
frasco que contenía el ADN modificado con amino, y se dejó progresar
la reacción a temperatura ambiente durante 24 horas bajo argón. Se
retiró la mezcla de reacción de la línea de vacío y se añadió a la
solución un exceso de 50 veces de cobalto-EDTA
(Kirschner, Inorganic Synthesis (1957), pp. 186). La solución
se aplicó sobre una columna de filtración en gel Sephadex®
G-25 para retirar el exceso de complejo de rutenio y
se purificó aún más mediante HPLC de fase inversa tal como se
describe más arriba. Los dos nucleótidos modificados con rutenio se
asociaron mediante técnicas estándares y se caracterizaron (ver
EJEMPLO 5).
En este ejemplo se usan una técnica de
amplificación in vitro del ADN, la PCR (revisada en Abramson
et al., Curr. Op. in Biotech. 4:41-47
(1993)), para generar ADN dúplex modificada mediante la
polimerización de nucleótidos a partir de hebras cebadoras
modificadas (Saiki et al., Science 239:487 (1988)). Se
sintetizan dos oligonucleótidos de 18 bases de longitud, y no
complementarios entre ellos, con modificación con amino en la
posición 2'-ribosa de los nucleótidos 5', como en el
EJEMPLO 1.
Se sintetizan químicamente una serie de
oligonucleótidos de longitudes crecientes, empezando con 40 bases,
usando química estándar. Cada una de las plantillas de la PCR
comparte una secuencia 5' idéntica a un 18-mero
modificado. El extremo 3' del oligonucleótido plantilla comparte una
secuencia complementaria a otro 18-mero.
La PCR genera rápidamente DNA dúplex modificados
mediante la catálisis de la síntesis 5'-3' del ADN a
partir de cada uno de los 18-meros modificados,
usando la hebra no modificada como plantilla. Se mezclan cien
nanomoles de cada uno de los 18-meros modificados en
1 ml de una solución acuosa que contiene 2000 unidades de polimerasa
Taq, trifosfatos de desoxirribonucleósidos a 0,2 M cada uno, KCl 50
mM, Tris-HCl 10 mM, pH 8,8, MgCl_{2} 1,5
mM, ditiotreitol 3 mM, y 0,1 mg/ml de albúmina de suero bovino. Se
añade a la mezcla un femtomol de la hebra plantilla e 40 bases de
longitud. Se calienta la muestra a 94ºC durante un minuto para su
desnaturalización, dos minutos a 55ºC para su asociación, y tres
minutos a 72ºC para su extensión. Este ciclo se repitió 30 veces
usando un ciclador térmico automatizado.
Las secuencias plantilla amplificadas con
complejos de metal de transición en ambos extremos 5' se purificaron
mediante electroforesis en gel de agarosa, y se usarondirectamente
en aplicaciones de transferencia de electrones.
En este ejemplo, se emplean esqueletos
alternativos a los enlaces fosfodiéster de los oligonucleótidos. Los
grupos funcionales incorporados en estos enlaces internucleótidos
sirven como el sitio de unión covalente de los grupos transferidores
de electrones. Estos enlaces internucleótidos alternativos incluyen,
pero no se limitan a, enlaces peptídicos, enlaces fosforamidatos,
enlaces fosforotioatos, enlaces fosforoditioatos, y enlaces
O-metilfosforamidatos.
La preparación de péptido ácido nucleico (PNA)
sigue los procedimientos de la literatura (ver Engholm, más arriba),
con la síntesis de éster de pentafluorofenil protegido con Boc de la
base escogida (timidina). El PNA resultante podría prepararse
empleando la estrategia de fase sólida de Merrifield (Merrifield,
Science 232:341 (1986)), usando un protocolo de acoplamiento
único con 0,1 M del monómero de timinil en 30% (v/v) de DMF en
CH_{2}Cl_{2}. El progreso de la reacción se sigue mediante
análisis cuantitativo con ninhidrina (Sarin, Anal. Biochem.
117:147 (1981)). El PNA resultante podría modificarse con un
complejo de metal de transición apropiado tal como se esboza en el
EJEMPLO 1.
La síntesis de los enlaces internucleótidos
fosforamidatos (Beaucage, más arriba; Letsinger, más arriba; Sawai,
más arriba) y N-alquilfosforamidatos (Jager, más
arriba) sigue los procedimientos estándares de la literatura, con
sólo una ligera modificación (los procedimientos se detienen después
de la adición de una única base al soporte sólido, y entonces se
separan para obtener un fosforamidato de dinucleótidos). Un ejemplo
típico es la preparación del feniléster de
5'O-isobutiloxi-carboniltimidil-(3'-5')-5'-amino-5'-desoxitimidina
(Letsinger, J. Org. Chem., más arriba). Las unidades de
dímeros se sustituyen por oligonucleótidos estándares a intervalos
escogidos durante la preparación del ADN usando técnicas
automatizadas establecidas. La modificación con metal de transición
de los enlaces modificados tiene lugar como se describe en el
EJEMPLO 1.
La síntesis de enlaces fosforotioato y
fosforoditioato (Eckstein, mas arriba, y referencias citadas en
ella) está bien documentada. Un protocolo publicado utiliza un
sintetizador de ADN de Applie Biosystems usando un ciclo de
\beta-cianoetilfosforamidito modificado que se
protege después de la sulfurización con disulfuro de
tetraetiltiuramo (TETD) (Lyerm J. Org. Chem. 55:4693 (1990)).
Los análogos de fosforotioato y fosforoditioato se preparan como
dímeros y se separan del soporte sólido y se purifican mediante HPLC
(fase móvil: acetonitrilo/acetato de trietilamonio).
En este ejemplo, se preparan dos oligonucleótidos
que se hibridan con una única secuencia diana, sin secuencias
interpuestas. Un oligonucleótido tiene un grupo donante de
electrones covalentemente unido en el extremo 5', y el otro tienen
un grupo aceptor de electrones covalentemente unido en el extremo
5'. En este ejemplo, las especies transferidoras de electrones se
unen a través de un nucleótido de uridina, pero un especialista en
la técnica comprenderá que los procedimientos actuales pueden usarse
para modificar cualquiera de los nucleótidos. Además, alguien
formado en la técnica reconocerá que el procedimiento no se limita a
la generación de 8-meros, sino que es útil en la
generación de sondas de oligonucleótidos de diferentes
longitudes.
El procedimiento es exactamente como en el
EJEMPLO 1, excepto que los 8-meros generados no son
complementarios entre ellos, y en cambio son complementarios a una
secuencia diana de 16 nucleótidos. Por tanto, el paso final de
asociación del paso 4 del EJEMPLO 1 no se realiza. En cambio, los
dos oligonucleótidos modificados se asocian con la secuencia diana,
y el complejo resultante se caracteriza como en el EJEMPLO 8.
Los oligonucleótidos modificados del EJEMPLO 1 se
sometieron a digestión enzimática usando protocolos establecidos, y
se convirtieron en sus nucleósidos constituyentes mediante reacción
secuencial con fosfodiesterasa y fosfatasa alcalina. Por comparación
con estándares de los perfiles de HPLC obtenidos experimentalmente y
de los espectros de UV-visible de los
oligonucleótidos digeridos (incluyendo el
2'-aminouridina y 2'-aminoadenina),
se confirmó la presencia de la base modificada con amino con el
tiempo de retención y el espectro UV-visible
característicos. Se llevó a cabo un procedimiento idéntico con el
ADN dúplex modificado con metal de transición, y las asignaciones de
los nucleósidos constituyentes demostró la modificación de un único
sitio en el sitio predicho.
Se ha demostrado que el fluorocromo isotiocianato
de fluoresceína (FITC) es específico para el marcaje de aminas
primarias sobre oligonucleótidos modificados, mientras que no se une
a aminas o amidas presentes sobre bases de nucleótidos (Haugland,
Handbook of Fluorescent Probes and Research Chemicals, 5ª
edición, (1992)). Esta reacción se llevó a cabo usando el
amino-oligonucleótido sintetizado tal como se
describió en el EJEMPLO 1, y sobre una secuencia de bases idéntica
sin que el grupo 2'-amino-ribosa
estuviera presente. Se obtuvieron Las mediciones espectroscópicas de
fluorescencia a partir de ambos oligonucleótidos y los resultados
confirman la presencia de la amina sobre el anillo de ribosa
5'-terminal.
Una técnica bien establecida para medir los
parámetros termodinámicos del ADN dúplex es la adquisición de curvas
de fusión del ADN. Se midieron una serie de curvas de fusión como
una función de la concentración del ADN dúplex modificado mediante
UV-visible con temperatura controlada
(Hewlett-Packard), usando técnicas bien conocidas en
la técnica. Estos resultados confirman que había tenido lugar la
hibridación de ADN amino-modificado y del modificado
con metal de transición. Además, los resultados indican que el ADN
modificado forma un dúplex estable comparable de la estabilidad de
los oligonucleótidos no modificados estándares.
Los oligonucleótidos modificados con amino
sintetizados como parte de este trabajo se prepararon en cantidades
suficientes (6 micromoles) para permitir la asignación de los
espectros de RMN de protón ^{1}H usando un espectrómetro de RMN
Varian de 600 MHz.
Una excelente revisión de las técnicas de
medición se halla en Winkler et al., Chem. Rev.
92:369-379 (1992). El donante es
Ru(bpy)_{2}(NHuridina)im, E^{0} 1 V,
y el aceptor es Ru(NH_{3})_{4}
py(NHuridina)im, E^{0} 330 mV. Los oligonucleótidos
modificados con metal de transición y purificados
(U_{NH}Ru(bpy)2im GCATCGA y
U_{NH}Ru(NH3)4(py)im CGATGCA) se
asociaron calentando una mezcla equimolar de los oligonucleótidos
(30 \muM: 60 nmoles de ADN en 2 ml de tampón) en pH 6,8
(NaPi 100 mM, NaCl 900 mM) hasta 60ºC durante 10 minutos y enfriando
lentamente hasta temperatura ambiente a lo largo de un período de 4
horas. La solución se transfirió a un cubeta con atmósfera inerte
equipada con adaptadores para la unión de una línea de vacío y una
varilla de agitación magnética. Se desgasó la solución varias veces
y los aparatos sellados se rellenaron repetidamente con gas Ar.
Se insertó la totalidad del aparato en un soporte
de cubetas como parte del montaje, usando un láser XeCl excímero de
colorante bombeado, y los datos se adquirieron a lo largo de varias
longitudes de onda, incluyendo 360, 410, 460 y 480 nm. La velocidad
de transferencia de electrones fotoinducidos es de 1,6 \times
10^{6} s^{-1} a lo largo de una distancia de 28 Angstroms.
Este ejemplo usa el procedimiento básico descrito
más arriba para generar dos oligonucleótidos modificados cada uno
con un grupo transferidor de electrones unido. La ligación de las
dos hebras modificadas entre ellas produce un ácido nucleico
doblemente marcado con cualquiera de cuatro configuraciones:
extremos 5' y 3' marcados, extremo 5' marcado y nucleótido interno
marcado, extremo 3' marcado y nucleótido interno marcado, y marcas
dobles en nucleótidos internos. Específicamente, se describe la
síntesis de un oligonucleótido de 24 bases de longitud con un grupo
donante transferidor de electrones en el extremo 5' y un grupo
transferidor de electrones interno.
Se sintetizaron quinientos nanomoles de cada uno
de dos oligonucleótidos de 12 bases de longitud, tal como se detalla
más arriba, marcados en 5' con rutenio(II) bisbipiridina
imizadol en un oligonucleótido ``D'', y con rutenio(III)
tetraamina piridina sobre un segundo oligonucleótido ``A''.
Mediante técnicas sintéticas estándares se
produjo un oligonucleótido sin modificar, de 24 bases de longitud, y
complementario con la yuxtaposición del oligonucleótido ``D''
seguido en la dirección 5' a 3' por el oligonucleótido ``A''. Se
añadieron quinientos nanomoles de esta plantilla de hibridación a
una mezcla de oligonucleótidos ``A'' y ``D'' en 5 ml de una solución
acuosa que contenía Tris-Cl 500 mM, pH 7,5,
MgCl_{2} 50 mM, ditiotreitol 50 mM, y 5 mg/ml de gelatina. Para
promover la máxima hibridación de oligonucleótidos marcados con la
hebra complementaria, la mezcla se incubó a 60ºC durante 10 minutos,
a continuación se enfrío lentamente a una velocidad de
aproximadamente 10ºC por hora, hasta una temperatura final de 12ºC.
La ligación enzimática de las dos hebras marcadas se consigue con
ligasa de ADN de T4 a 12ºC para prevenir la ligación y
oligomerización del ADN duplexado con otros dúplexes (ligación de
extremos romos). Alternativamente, puede usarse la ligasa de ADN de
E. coli puesto que no cataliza la ligación de extremos
romos.
Se añaden cien unidades Weiss de ligasa de ADN de
T4 al ADN asociado y se añade trifosfato de adenosina hasta una
concentración final de 0,5 mM. La reacción que cataliza la formación
de un enlace fosfodiéster entre el fosfato 5' terminal del
oligonucleótido ``A'' y el grupo hidroxilo 3' terminal del
oligonucleótido ``D'' se deja progresar durante 18 horas a 12ºC. La
reacción se termina mediante inactivación por calor del enzima, a
75ºC durante 10 minutos. El oligonucleótido doblemente marcado se
separa de los oligonucleótidos marcados de forma única, y del
oligonucleótido sin marcar complementario mediante HPLC en presencia
de urea, como en los ejemplos anteriores. El oligonucleótido
doblemente marcado de este ejemplo es idealmente apropiado para su
uso como una sonda de genes fotoactiva, tal como se detalla más
abajo.
Este ejemplo utiliza el oligonucleótido de
24-meros del EJEMPLO 6 en un ensayo de sonda de
genes de tipo único, en el que no se requiere la retirada de la
sonda no marcada antes de la detección de la señal. En el
procedimiento de ensayo, se amplifica una región del gen gag del
virus del tipo I de la inmunodeficiencia humana
(HIV-I) mediante la reacción en cadena de la
polimerasa (Saiki et al., Science
239:487-491 (1988)). Esta región del
HIV-I está altamente conservada entre aislados
clínicos.
El ADN diana amplificado, respecto controles que
carecen del ADN de HIV-I, se añade a un solución de
hibridación de 6XSSC (NaCl 0,9 M, citrato sódico 0,09 M, pH
7,2) conteniendo 50 nanomoles de la sonda de
24-meros doblemente marcada del EJEMPLO 6. Se deja
progresar la hibridación a 60ºC durante 10 minutos con agitación
moderada. La detección de transferencia de electrones a continuación
de la excitación con láser se realiza como en el EJEMPLO 5. Las
muestras control que carecen de la sonda hibridada muestran
velocidades de transferencia de electrones despreciables. Las sondas
hibridadas con la secuencia gag muestran un transferencia de
electrones eficiente y rápida a través de la doble hélice de ADN,
proporcionando un ensayo de detección del HIV-I
altamente específico, homogéneo, y automatizable.
Un ensayo con sondas de genes homogéneo similar
implica el uso de dos sondas, una un donante de electrones y la otra
un aceptor de electrones, las cuales se hibridan con la región
gag del HIV-I en una configuración tándem,
una sonda colindante con la otra. En este ensayo, el acoplamiento
electrónico entre los dos grupos transferidores de electrones
depende enteramente de la hibridación con el ADN diana. Si es
apropiada, la transferencia de electrones desde una sonda a la otra
es mejorada por la ligación de los extremos yuxtapuestos usando la
ligada de ADN de T4 como en el EJEMPLO 6.
OH(CH_{2})OH se adquirió a
Aldrich, y la forma monoacetato se preparó mezclando el material en
forma de papilla con CH_{2}Cl_{2} seco, se añadieron 0,5
equivalentes de dimetilaminopiridina junto con 1,4 equivalentes de
trietilamina y 1 equivalente de anhídrido acético. Se dejó progresar
la reacción durante 2 horas y se purificó mediante cromatografía
flash (80:20 hexano:dietiléter).
El compuesto monoacetato se convirtió al
monosilato-monoacetato usando
p-TOSCl mediante procedimientos de la literatura, y
a continuación se trató con
trifenil-metil-mercaptano. Para
suprimir el monoacetato, se disolvió el producto en MeOH (1 mmol, 9
ml), se enfrió a 0ºC, y se añadió una solución acuosa de NaOH (1
mmol, en 2 ml de agua). Se dejó subir la temperatura hasta
temperatura ambiente lentamente, y se siguió la reacción mediante
TLC (5% MeOH/CH_{2}Cl_{2}). Cuando se hubo eliminado el éster,
se re-enfrió la mezcla a 0ºC, y se acidificó con
KHSO_{4} hasta pH 5-6 usando papel de p}H.
Se evaporó el MeOH, y se extrajo el residuo con CH_{2}Cl_{2}
(200 ml), se secó (Na_{2}SO_{4}), se evaporó, y se comprobó vía
TLC. El material se ``fosforamiditó'' mediante procedimientos
estándares. Este material se insertó en el sintetizador de ADN y se
produjo un oligonucleótido modificado. El oligonucleótido
fosforamiditado se modificó con complejo de rutenio añadiéndole
Ru(bpy)_{2}CO_{3}, seguido por imidazol, para
rendir
Ru(bpy)_{2}im-oligonucleótido. El
grupo protector trietilo se retiró disolviendo el nucleótido en 200
\mul de tampón de acetato de trietilamonio 0,1 M (TEEA), pH
7,5, se añadieron 30 \mul de solución de nitrato de plata 1 M, y
se agitó la mezcla con formación de vórtice, y se incubó a
temperatura ambiente durante 30 minutos. Se añadieron 50 \mul de
ditiotreitol 1 M (DTT), se agitó la mezcla con formación de vórtice,
y se incubó durante 15 minutos, momento en el que se microcentrifugó
durante 15 minutos para suprimir el precipitado de Ag+DTT. Se
recolectó el sobrenadante y el precipitado se lavó con 100 \mul de
tampón TEAA, y se juntaron las soluciones. El oligonucleótido
resultante se unió entonces a la superficie de oro mediante técnicas
estándares.
Con objeto de evaluar la naturaleza dependiente
del camino del proceso de transferencia de electrones a través de
ADN dúplex, se preparó un oligonucleótido con un donante de
electrones en el extremo 3' y un aceptor de electrones en el extremo
50. Este oligonucleótido modificado de forma múltiple se preparó
sintetizando un derivado con una amina en la posición 2' de la
ribosa terminal en ambos extremos.
Se preparó un fosforamidito de
2'-amino-2'-desoxiuridina
(U_{NH2}) protegido con
DMT-2'-N-trifluoroacetilo,
tal como se ha descrito antes, y se hizo reaccionar con anhídrido
succínico. Este material se hizo reaccionar con
p-nitrofenol para producir el precursor para el
anclaje a la resina de vidrio de poro controlada (GPC) como en la
Figura 6A. Los oligonucleótidos modificados se ensamblaron mediante
técnicas estándares automatizadas de síntesis de ADN en fase sólida,
y el oligonucleótido
bis-3',5',2'-desoxiuridina se aisló
y caracterizó mediante espectrometría de masas y análisis de
digestión con HPLC. Además, los oligómeros de aminoribosa y sus
complementos se hicieron reaccionar con FITC bajo condiciones que
favorecen el marcaje de aminas primarias. Tal como se esperaba, sólo
se marcó el sitio
2'-amino-2'-desoxirribosa,
verificándose la presencia de un amina primaria sobre el ADN. Como
en el ejemplo, se preparó una secuencia de 11 pares de bases
(calculado para U_{NH2}CTCCTACACU_{NH2} 3229, hallado 3229,1), y
el mapa de digestión subsiguiente fue consistente con la estructura
propuesta. La modificación con metal del oligonucleótido modificado
con bis-amino se realizó de forma similar. Los
nuevos oligonucleótidos modificados con metal se caracterizaron
mediante marcaje fluorescente, digestión enzimática, y estudios de
temperatura de fusión del dúplex. Los experimentos de
desnaturalización y asociación térmica muestran temperaturas de
fusión similares para ambos, los oligómeros de rutenio y
amino-ribosa. Además, el ADN dúplex modificado con
amino se ha caracterizado mediante RMN 2D. Estos datos confirman que
los donantes y aceptores están unidos covalentemente a la posición
2'-amino-desoxirribosa, e indican
que la estructura del ADN no está perturbada por la presencia de los
complejos de rutenio.
Claims (23)
1. Composición que comprende:
- a) un mediador del transporte de electrones;
- b) un primer ácido nucleico de cadena sencillaunido covalentemente a un primer grupo de transferencia de electrones, primer grupo de transferencia de electrones que es un electrodo; y
- c) un segundo ácido nucleico de cadena sencilla unido covalentemente a un segundo grupo de transferencia de electrones.
2. Composición de acuerdo con la reivindicación
1, en donde dicho electrodo es un electrodo de superficie oxidado de
película delgada.
3. Composición de acuerdo con la reivindicación
2, en donde dicho electrodo de película delgada se selecciona de
entre el grupo que consiste en SnO_{2}, TiO_{2}, RuO_{2} y
Pt.
4. Composición de acuerdo con la reivindicación
1, en donde dicho electrodo es un electrodo de oro.
5. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en donde dicho segundo grupo de
transferencia de electrones es un complejo de metal de
transición.
6. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en donde dicho segundo grupo de
transferencia de electrones es un grupo orgánico de transferencia de
electrones.
7. Composición de acuerdo con la reivindicación
6, en donde dicho grupo orgánico de transferencia de electrones es
el azul de metileno.
8. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, en donde dicho segundo ácido nucleico está
unido covalentemente a múltiples grupos de transferencia de
electrones.
9. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en donde dicho mediador del transporte de
electrones es un complejo trisbipiridil o hexamina de un metal de
transición.
10. Composición de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, en donde dicho mediador del transporte de
electrones es el ferroceno.
11. Procedimiento para detectar una secuencia
diana en un ácido nucleico, que comprende:
- a) proporcionar un complejo de hibridación que comprende:
- 1) un primer ácido nucleico de cadena sencilla unido covalentemente a un primer grupo de transferencia de electrones, primer grupo de transferencia de electrones que es un electrodo; y
- 2) un segundo ácido nucleico de cadena sencilla unido covalentemente a un segundo grupo de transferencia de electrones.
- b) detectar la transferencia de electrones entre los grupos transferencia usando corriente alterna (CA),
en donde la presencia de transferencia de
electrones es una indicación de la presencia de dicha secuencia
diana.
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, en donde la secuencia diana comprende un primer
dominio de marca, al que se hibrida el primer ácido nucleico de
cadena sencilla, y un segundo dominio de marca, al que se hibrida el
segundo ácido nucleico de cadena sencilla.
13. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11, en donde el primer y segundo ácido nucleico de
cadena sencilla se hibridan entre ellos.
14. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 13, en donde dicho electrodo es un
electrodo de superficie oxidada de película fina.
15. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 14, en donde dicho electrodo de película delgada se
selecciona de entre el grupo que consiste en SnO_{2}, TiO_{2},
RuO_{2} y Pt.
16. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 13, en donde dicho electrodo es un
electrodo de oro.
17. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 16, en donde dicho segundo grupo de
transferencia de electrones es un complejo de metal de
transición.
18. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 16, en donde dicho segundo grupo de
transferencia de electrones es un grupo orgánico de transferencia de
electrones.
19. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 18, en donde dicho grupo orgánico de transferencia de
electrones es el azul de metileno.
20. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 19, en donde dicho segundo ácido nucleico
está unido covalentemente a múltiples grupos de transferencia de
electrones.
21. Procedimiento de acuerdo con cualquiera de
las reivindicaciones 11 a 20, que emplea un mediador del transporte
de electrones.
22. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 21, en donde dicho mediador del transporte de
electrones es un complejo trisbipiridil o hexamina de un metal de
transición.
23. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 21, en donde dicho mediador de la transferencia de
electrones es el ferroceno.
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