ES2198967T3 - Procedimiento para la amplificacion exponencial de matrices moleculares. - Google Patents

Procedimiento para la amplificacion exponencial de matrices moleculares.

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Abstract

Procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares, que comprende (a) la unión de matrices moleculares a la superficie de una fase sólida mediante un engarce reversible a la matriz; (b) la adición de fragmentos de matriz, presentando uno de los fragmentos una unidad de engarce dado el caso protegida; (c) la síntesis de copias de la matriz; (d) la eliminación de fragmentos de la matriz en exceso y de coadyuvantes de reacción; (e) la separación de las copias de la matriz; (f) la colonización de sitios de unión libres en la fase sólida por copias de matriz sintetizadas; y (g) la repetición frecuente a voluntad de los pasos (a)-(f)

Description

Procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares, es decir compuestos isómeros de secuencia con propiedades de molde. En el procedimiento se excluye una inhibición de producto al llevar a cabo la reacción en una superficie de fase sólida. La presente invención se refiere además a un procedimiento para la evolución química utilizando el procedimiento indicado para la amplificación exponencial de matrices moleculares.
Se han proyectado sistemas químicos autorreplicantes para identificar los requisitos mínimos para una replicación molecular [D. Sievers y col., Self-Reprod. of Supramolecular Structures, Kluwer Publishers, Dordrecht (1994)], para transferir el principio a sistemas sintéticos supramoleculares [E.A. Wintner y col., Acc. Chem. Res. 27, 198-203 (1994)] y para conseguir una mejor comprensión del alcance y de las limitaciones de los procesos de autoorganización [M. Eigen, Naturwissenschaften 58, 465-523 (1971)], de los que se cree que son relevantes para la formación de la vida sobre la tierra [L. Orgel, Acc. Chem. Res. 28, 109-118 (1955)]. Los métodos actuales utilizan análogos de oligonucleótidos [G. von Kiedrowski, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 25, 932-935 (1986); W.S. Zielinski y col., Nature 327, 346-347 (1987); G. von Kiedrowski y col., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 30, 423-426, ibid. 892 (1991); T. Achilles y col., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 32, 1198-1201 (1993); D. Sievers y col., Nature 369, 221-224 (1994); T. Li y col., Nature 369, 218-221 (1994); B. Martin y col., Helv. Chim. Acta 80, 1901-1951 (1997); D. Sievers y col., Chem. Eur. J. 4, 629-641 (1998)], péptidos [D. Lee y col., Nature 382, 525-528 (1996); K. Severin y col., Angew. Chem. Int. Ed. 37, 126-128 (1998); D. Lee y col., Nature 390, 591-594 (1997); S. Yao y col., Angew. Chem. Int. Ed. 37, 478-481 (1998); K.S. Severin y col., Chem. Eur. J. 3, 1017-1024 (1997)] y otras moléculas [T. Tjivikua y col., J. Am. Chem. Soc. 112, 1249-1250 (1990); A. Terfort y col., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 31, 654-656 (1992); J.-I. Hong y col., Science 225, 848-850 (1992); Q. Feng y col., Science 256, 1179-1180 (1992); R.J. Pieters y col., Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 106, 1579-1581 (1994); D.N. Reinhoudt y col., J. Am. Chem. Soc. 118, 6880-6889 (1996); B. Wang y col., Chem. Commun. 16, 1495-1496 (1997)] como matrices y se basan en rutas de la formación de la matriz autocalíticas, catalíticas cruzadas o catalíticas colectivas. Un problema frecuente de estos sistemas es la inhibición de producto, lo que conduce a una amplificación parabólica en lugar de a una exponencial [G. von Kiedrowski, Bioorg. Chem. Front. 3, 113-146 (1993)]. Lo último es la hipótesis dinámica de una selección en el sentido darwinista [E. Szathmáry y col., J. Theor. Biol. 138, 55-58 (1989); R.W. Wills y col., Santa Fe Institute Working Paper 97-07-065 (1997)].
Diversas teorías de la formación de la vida han destacado la importancia de las superficies para la evolución química [J.D. Bernal, The Physical Base of Life, Routledge & Keagan Paul, Londres, 1951; A.G. Cairns-Smitz, Thee Life Puzzle, Oliever & Boyd, Edimburgo, 1971; H. Kuhn y col. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 20, 500-520 (1981); G. Wächtershäuser, Microbiol. Rev. 52, 452-484 (1988); E. Szathmáry y col., J. Theor. Biol. 187, 555-571 (1977); L. Orgel, Origins Life Evol. Biosphere 28, 227-234 (1988)]. Así, se utilizaron ya prontamente procedimientos con aporte paso a paso en dos sistemas químicos diferentes que se habían descrito como modelos para procesos prebióticos potenciales [T. Li y col., Nature 369, 218-221 (1994); J.P. Ferris y col., Nature 381, 59-61 (1996); G. von Kiedrowski, Nature 381, 20-21 (1996)]. En Li y col., se alcanza una replicación de ADN dúplex compuesto por cadenas palindrómicas (simétricas) de homopiridina y homopurina. La cadena de homopiridina se sintetizó por enlace en triple hélice de sus fragmentos precursores y se utilizó como matriz para el enlace químico de los precursores de la cadena de homopurina. La aportación paso a paso de fragmentos de homopiridina y homopurina permitió así impedir una complejación de los fragmentos y por consiguiente conectar y desconectar entre las correspondientes etapas intermedias de enlace tríplex y dúplex. Ferris y col., han estudiado la síntesis de materiales largos de tipo oligonucleotídico y peptídico sobre la superficie de soportes minerales. En estos sistemas la aportación paso a paso permitió que se completasen precursores activados y posibilitó con ello superar el efecto limitador de la longitud de la hidrólisis de los precursores.
Se conoce además un procedimiento de selección y amplificación con caráter evolutivo por el documento WO 91/19813. En este procedimiento se genera una subpoblación de una biblioteca de mutantes por unión reversible (partición) a una estructura diana y seguidamente se amplifican los mutantes seleccionados. En una amplificación semejante se presenta sin embargo frecuentemente el problema de la inhibición del producto también conocido p.ej. en la PCR.
El documento US 5,795,714 describe un procedimiento para la replicación, pero no para la amplificación, de sistemas de ácido nucleico. En el procedimiento aquí descrito los moldes inmovilizados sirven para la síntesis de cadenas complementarias por ligación enzimática de fragmentos de los cuales uno posee una función inmovilizable (aquí biotina). Se realiza una transferencia de la cadena sintetizada a una segunda superficie que reacciona con la función inmovilizable (aquí avidina), concretamente en el sentido de un proceso de termotransferencia. A este respecto, la disposición maestra original -en la patente estadounidense indicada se trata de una llamada disposición de espigas en la que los ácidos nucleicos están inmovilizados en pequeñas espigas de plástico- se copia sobre una membrana que a su vez ya no puede copiarse.
El cometido de la presente invención ha consistido pues en proporcionar un procedimiento de amplificación para compuestos isómeros de secuencia con propiedades de molde (en lo sucesivo brevemente "matrices moleculares") que posibilite una ilimitada multiplicación de la matriz molecular, es decir, sin inhibición del producto.
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El cometido de la presente invención ha consistido además en proporcionar un procedimiento para la evolución de matrices moleculares, en el que el paso de amplificación no represente ningún factor limitativo, es decir que sea posible una multiplicación ilimitada de la matriz molecular sin inhibición del producto.
Sorprendentemente se ha encontrado un procedimiento iterativo paso a paso que permite aumentar exponencialmente la cantidad presente de matriz molecular. El procedimiento utiliza para ello la superficie de un soporte sólido. Por enlace químico sobre matrices inmovilizadas se sintetizan copias de fragmentos precursores que luego pueden liberarse e inmovilizarse, de modo que formen nuevas matrices. El proceso puede repetirse con frecuencia a voluntad.
La presente invención se refiere pues a
(I) un procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares, que comprende
(a)
la unión de matrices moleculares a la superficie de una fase sólida mediante un engarce reversible a la matriz;
(b)
la adición de fragmentos de matriz, presentando uno de los fragmentos una unidad de engarce dado el caso protegida;
(c)
la síntesis de copias de la matriz;
(d)
la eliminación de fragmentos de la matriz en exceso y de coadyuvantes de reacción;
(e)
la separación de las copias de la matriz;
(f)
la colonización de sitios de unión libres en la fase sólida por copias de matriz sintetizadas; y
(g)
la repetición frecuente a voluntad de los pasos (a)-(f)
y
(II) un procedimiento para la evolución química por amplificación exponencial de matrices moleculares, que comprende uno o varios ciclos de evolución de
(1)
selección de una subpoblación de matrices moleculares de una biblioteca combinatoria de partida; y
(2)
amplificación y mutación de las matrices selectivas para proporcionar una biblioteca de mutantes, que comprende más de uno de los ciclos de amplificación (a) a (f) definidos en (I).
El papel de la fase sólida (en lo sucesivo también "soporte") en los procedimientos conforme a la invención consiste en mantener separadas entre sí matrices complementarias que en solución formarían dúplex estables. Los materiales soporte adecuados están compuestos a este respecto por material orgánico o inorgánico o por un híbrido de estos materiales. Son materiales soporte orgánicos polímeros de base azúcar, preferiblemente agarosa, celulosa así como derivados adecuados o polímeros técnicos como poliestireno, poliacrilato, poliacrilonitrilo, polialquenos o copolímero de injerto (p.ej. PS-PEG, PAN-PEG, PAN-PAG, etc.). Materiales soporte inorgánicos pueden ser p.ej. vidrio, hidroxiapatito funcionalizado así como metales, siendo de especial significación en especial la superficie de oro (a consecuencia de la interacción del tiolato de oro). Como híbridos son concebibles p.ej. perlas paramagnéticas.
En los procedimientos conforme a la invención las copias de matriz producidas a este respecto en el paso (e) pueden ser idénticas o complementarias a las matrices de partida. Por "complementariedad" en el sentido de la invención debe entenderse que la copia de la matriz se diferencia de la matriz de partida, siendo sin embargo la copia de esta copia de nuevo idéntica a la matriz de partida. En lo sucesivo esto se designa también brevemente como "cadena (+)" y "cadena (-)". En el caso de identidad de las matrices de partida y de las copias de matriz puede realizarse tras la colonización de sitios de unión libres (paso (f)) el siguiente próximo ciclo de reacción en el mismo recipiente de reacción. Por otra parte, en el caso de que las copias de matriz producidas sean complementarias a la matriz de partida, el paso (f) se lleva a cabo preferiblemente en un segundo recipiente de reacción y solo el paso (f) del siguiente ciclo de reacción se lleva a cabo nuevamente junto con los fragmentos de matriz originales.
En una forma de realización preferida del procedimiento (I) tras la unión de matrices moleculares a la superficie de la fase sólida se bloquean los sitios de unión restantes de la fase sólida. Este bloqueo depende aquí del tipo de enlace de los fragmentos de matriz utilizados a la fase sólida, es decir, del tipo de engarce. La unión del engarce en el procedimiento conforme a la invención puede realizarse tanto por enlace covalente como también no covalente, estando comprendido por enlace no covalente tanto sistemas de enlace iónico como también no iónico y en especial miembros de pares de unión inmunológicos como avidina/estreptavidina o antígeno-anticuerpo. Un requisito básico para la selección del engarce adecuado es sin embargo que este esté ortogonalmente a los demás enlaces químicos utilizados en el sistema, en especial a los enlaces químicos en la propia matriz y entre matriz y copia de matriz, de modo que las matrices puedan eliminarse nuevamente de la superficie de la fase sólida sin ruptura del enlace, es decir quede garantizado una unión conectable a la fase sólida. Para el bloqueo de los sitios de unión en exceso en la fase sólida, esto significa que el bloqueo puede realizarse o bien por reacción con reactivos químicos que introduzcan un enlace covalente con sitios de unión libres (p.ej. en el caso de grupos tiol libres en la fase sólida: una reacción con reactivos tiol adecuados formando disulfuros) o bien por reacción con compuestos no covalentes adecuados que saturen los sitios de unión libres (p.ej. en el caso de antígenos libres en la fase sólida una reacción con los correspondientes anticuerpos). El engarce puede encontrarse a este respecto en cualquier extremo discrecional de la matriz, es decir, en un oligonucleótido puede estar tanto en el extremo 5' como también en el extremo 3' y en un péptido tanto en el N terminal como también en el C terminal.
Además, la colonización de sitios de unión libres en la fase sólida por copias de matriz sintetizadas requiere que estén presentes sitios de unión libres para el siguiente ciclo de reacción. Esto puede realizarse por una parte por liberación de nuevos sitios de unión en la fase sólida ya presente en la síntesis, pero por otra parte también por adición de nuevo material de fase sólida, o por transferencia de la copia de matriz formada sobre nuevo material sólido. De estas tres posibilidades, las dos primeras son especialmente bien adecuadas para la situación en la que la matriz de partida y la copia de matriz sean idénticas. La tercera posibilidad es más bien adecuada para aquellos sistemas en los que la matriz producida es complementaria a la matriz de partida.
En otra forma de realización del procedimiento (I) pueden desprotegerse unidades de engarce de las copias de matriz en este punto del ciclo de reacción (es decir antes, durante o después del paso (e)). Tras la desprotección estas reaccionan entonces con sitios de unión libres en el material soporte. En esta forma de realización también pueden estar presentes durante los pasos (b)-(e) sitios de unión libres en la fase sólida. En esta forma de realización no es necesario un bloqueo de sitios de unión en exceso tras el paso (a).
Para el tipo de estos grupos protectores de engarce son válidos los mismos requisitos que anteriormente para la química del engarce. También aquí debe garantizarse la ortogonalidad con respecto a los demás compuestos químicos. Grupos protectores adecuados para el correspondiente sistema de amplificación pueden encontrarse p.ej. en T.W. Green, Protective Groups in Organic Síntesis in Organic Synthesis, Wiley & Sons, N.J.
Finalmente una forma de realización especial consiste en que en lugar de un método de inmovilización se utilizan dos o más métodos ortogonales. Esto implica entonces que en lugar de una superficie se utilizan dos o más superficies. Preferiblemente la cadena (+) se inmoviliza por un método distinto al de la cadena (-), con lo que se realizan dos procedimientos de inmovilización ortogonales en dos superficies funcionalizadas correspondientes. Pueden construirse procedimientos de inmovilización ortogonales sobre distintas interacciones específicas no covalentes, p.ej. sobre la pareja biotina-avidina y la pareja digoxigenina-antidigoxigenina, pero también sobre procedimientos de enlace covalentes ortogonales, como p.ej. reacciones de Diels-Alder y reacciones de condensación. Si se designa con A-A' y B-B' a dos interacciones ortogonales covalentes o no covalentes, entonces el procedimiento de replicación consiste en
(1a) se inmoviliza la cadena (+) A'-funcionalizada en la superficie A,
(1b) se inmoviliza la cadena (-) B'-funcionalizada en la superficie B,
(2a) a la cadena (+) se le añaden fragmentos de los cuales uno está funcionalizado con B',
(2b) a la cadena (-) se le añaden fragmentos de los cuales uno está funcionalizado con A',
(3a) se realiza la ligación de los fragmentos en la cadena (+),
(3b) se realiza la ligación de los fragmentos en la cadena (-),
(4a) se separa la copia B'-funcionalizada de la cadena (+),
(4b) se separa la copia A'-funcionalizada de la cadena (-).
En la forma de realización técnica preferida la superficie A permanece siempre separada de la superficie B. Los pasos parciales (a) y (b) en las reacciones (1a,b), (3a,b) y (4a,b) pueden llevarse a cabo entonces para las dos superficies correspondientemente juntas, es decir en la misma fase líquida. Solamente los pasos parciales (2a) y (2b) deben desarrollarse por separado, pues aquí debe evitarse que el fragmento A' entre en contacto con la superficie A y el fragmento B' con la superficie B.
En el procedimiento conforme a la invención pueden utilizarse matrices con una longitud de 2 a 2000, en especial de 4 a 50 unidades monómeras. Como "fragmentos de matriz" en el paso (b) del procedimiento conforme a la invención pueden utilizarse tanto unidades monómeras individuales como también oligómeros de estas unidades monómeras. Es un requisito sin embargo que una de estas unidades monómeras o unidades oligómeras presente una unidad de engarce protegida, definiéndose el tipo de grupo protector del engarce como anteriormente.
La concentración de matrices utilizada en el procedimiento conforme a la invención depende del material de fase sólida utilizado, en especial del tamaño de partícula y del número de sitios de unión en su superficie. Otro factor limitativo es la longitud de las matrices. En general la construcción de la molécula de matriz en la mezcla de reacción debe alcanzar de 10^{-15} a 10^{-1}, en especial de 10^{-12} a 10^{-3} mol/l. Los segmentos de matriz empleados deben utilizarse en una concentración de 10^{-12} a 1 mol/l, en especial de 10^{-9} a 10^{-1} mol/l, utilizándose un cierto exceso de fragmentos de matriz, referido a las unidades monómeras necesarias para la matriz correspondiente. Es especialmente preferido un exceso de 1:1,1 a 1:100 de las unidades monómeras, siendo la reacción antieconómica con un exceso superior a 10.
Por matrices moleculares en el sentido de la presente invención debe entenderse todos los compuestos isómeros de secuencia que presentan propiedades de molde. Estos son en especial oligonucleótidos y derivados de nucleótidos (incluidos APN, ARNp, 2',5'-nucleótidos y ARN/ADN isómeros especulares), oligopéptidos y derivados de oligopéptidos (en especial en espiral enrollada (p.ej. cremallera de leucina) y estructuras en lámina plegada). En el caso de los derivados de oligonucleótidos y oligopéptidos son de mencionar en especial estructuras no naturales, como oligonucleótidos con estructuras 2',5' y péptidos con D-aminoácidos, que presentan una mayor estabilidad frente a enzimas disociadoras. Como esqueleto de molde pueden utilizarse preferiblemente diésteres, amidatos, tioatos, pirrofosfatos del ácido fosfórico, y otros derivados del ácido fósfórico así como amidas, pero también ésteres, ureas, uretanos, disulfuros, iminas, acetales y encadenamientos C-C. El reconocimiento molecular que tiene lugar en los moldes puede realizarse a través de heterociclos (en especial nucleobases), puentes salinos (en especial interacción con carboxilato de amidinio), interacción ion-ion, interacción ion-dipolo, interacción dipolo-dipolo, complejación de inclusión (en especial a través de ciclodextrinas y las llamadas pinzas moleculares), interacción de apilamiento y transferencia de carga (en especial a través de apilamiento de compuestos aromáticos ricos en electrones y pobres en electrones) así como a través de interacción ligando-metal-ligando. Los moldes pueden poseer topología tanto lineal, cíclica, ramificada (de tipo dendrímero) como bidimensional.
Son disolventes adecuados para el procedimiento conforme a la invención el agua y medios de reacción orgánicos o mezclas de los mismos. En el caso de que las matrices y fragmentos de matrices contengan grupos iónicos (como mono o diésteres del ácido fosfórico) son especialmente preferidos sistemas de disolventes acuosos. Los disolventes pueden contener además sistemas tampón adecuados.
El enlace de unión en el paso (c) puede llevarse a cabo tanto química como enzimáticamente. En el enlace químico se lleva a cabo a este respecto la reacción de los correactantes con los reactivos de activación y agentes de condensación adecuados para el correspondiente enlace de unión. Así, la reacción de condensación de derivados del ácido fosfórico se realiza en medios acuosos preferiblemente utilizando carbodiimidas solubles en agua. Para el enlace enzimático pueden utilizarse todas las enzimas que presenten las correspondientes propiedades catalíticas (ligasas, polimerasas, estearasas, etc.).
La temperatura de reacción para los pasos de reacción anteriormente indicados, en especial para el paso de enlace (c), puede encontrarse a este respecto según el sistema de reacción entre -20 y 100ºC. Son especialmente preferidas temperaturas entre 0 y 50ºC. En especial para la reacción de enlace mediante polimerasas el sistema de amplificación conforme a la invención permite una realización de la reacción por debajo de 50ºC.
Tras la síntesis de las copias de matriz, en el paso (d) se elimina el exceso de fragmentos de matriz y coadyuvantes de reacción (es decir, agentes de condensación, reactivos de activación, tampón, enzimas, etc.) que fueron necesarios para el enlace.
La separación de las copias de matriz de las matrices depende del respectivo sistema de matriz y debe realizarse de modo que tanto los compuestos enlazados químicamente como también el enlace del engarce con superficies o grupos protectores del engarce permanezcan sin verse afectadas en las copias de matriz. Son medidas adecuadas p.ej. tratamientos de soluciones acuosas u orgánico-acuosas con reactivos de desnaturalización, incremento de la temperatura, campos eléctricos y magnéticos, procedimientos mecánicos y combinaciones de las mismas. La presente invención ofrece por tanto múltiples posibilidades de desnaturalización, es decir, no es imprescindible un calentamiento por encima de 90ºC como con la TAQ-polimerasa en la PCR.
En el procedimiento (II) la selección de la subpoblación de matrices moleculares se lleva a cabo mediante una unión reversible a una o más estructuras diana (moléculas diana). Esto se realiza preferiblemente mediante una cromatografía de absorción. En el ciclo de evolución conforme a la invención, en el caso de que la biblioteca de mutantes no presente ningún engarce adecuado, las matrices moleculares seleccionadas se proveen en un paso adicional (1') de un engarce reversible. La biblioteca de mutantes obtenida en el paso (2) del procedimiento es la biblioteca de partida para el siguiente ciclo de evolución. La mutación en el ciclo de amplificación se controla mediante los parámetros de reacción en los pasos (b) y (c). El número de ciclos de evolución depende aquí por una parte de la complejidad (es decir, del número de las posibles variables de la estructura a seleccionar), la relación de merma en el paso de selección, que en el marco de la presente invención se encuentra entre el 0,01 y el 50%, así como el efecto de contrasentido de la mutación en el paso de la amplificación. Además del paso de selección en (1) puede también llevarse a cabo una selección adicional mediante el paso de separación (2)(e).
El procedimiento (II) puede aquí además comprender o bien después de cada ciclo de evolución o bien después del último ciclo de evolución también los pasos adicionales de aislamiento de las moléculas de matriz obtenidas y análisis subsiguiente.
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La presente invención se ilustra con la ayuda de las siguientes figuras.
Descripción de las figuras Figura 1 Esquema general del procedimiento conforme a la invención
(1) Paso de inmovilización: se inmoviliza una matriz mediante una reacción irreversible con la superficie de un soporte sólido.
(2) Paso de hibridación: la matriz fija fragmentos complementarios de la solución.
(3) Paso de ligación: los fragmentos se enlazan entre sí por enlace químico.
(4) Paso de separación: la copia se libera y se inmoviliza de nuevo en otra parte del soporte sólido, convirtiéndose en una matriz para el siguiente ciclo de pasos.
Figura 2 Análogos de nucleótidos y reacciones utilizados en el experimento
Los pasos individuales del procedimiento (1)-(4) se llevaron a cabo por separado para las matrices complementarias X e Y en distintos tubitos. PySS designa una unidad estructural de disulfuro de 2-piridilo, que en la inmovilización (1a) y remate (1b) se disocia formando 2-tiopiridona. La modificación del esqueleto X en el enlace internucleotídico central de X e Y es X = N-H, excepto en la primera inmovilización, en la que X = O. A^{x}, B^{x}, A^{y} y B^{y} designan los fragmentos de matriz correspondientes. El paso de hibridación (2) proporciona un complejo termomolecular de las matrices inmovilizadas y los respectivos fragmentos A^{x}, B^{x}, A^{y} y B^{y}. En presencia de la carbodiimida hidrosoluble EDC el enlace químico (3) conduce a una unión 3'-5'-fosforamidato entre un grupo 5'-amino y un grupo 3'-fosfato vecino. Cada complejo bicatenario resultante se desnaturaliza (4), lo que proporciona el soporte que porta la matriz así como una copia modificada con PySS inmovilizada sobre soporte con SH fresco.
Figura 3 Análisis por HPLC de productos en condiciones desnaturalizantes que se mantienen en los pasos sucesivos de un ciclo de amplificación
Todas las muestras de HPLC sin tampón de reducción (RB) se llevaron antes de los análisis a una concentración de 100 mM de DTT (excepto (a)) para garantizar la reproducibilidad de la cuantificación por HPLC.
t_{R} = tiempo de reacción en minutos
(a) = mezcla de reacción, que contiene X y GAATCCATGGTAAG (X^{ref}) como patrón interno, antes de la inmovilización
(b) = sobrenadante tras la inmovilización
(c) = mezcla de reacción tras la hibridación de X inmovilizado con A^{y} y B^{y} y tratamiento del soporte con RB.
(d) = mezcla de reacción tras el enlace químico y disociación reductora del soporte con auxilio de RB
(e, f) = análisis por HPLC del grupo de dieciséis muestras obtenidas por disociación reductora de matrices inmovilizadas que habían sido obtenidas a través de tres ciclos de amplificación.
Las leyendas a la derecha de los perfiles de la HPLC se explica seguidamente con más detalle en la figura 4. Se observa que pequeñas impurezas que son visibles en los primeros perfiles desaparecen progresivamente en el transcurso de la amplificación.
Figura 4 Ruta de las transferencias de matriz en el transcurso de tres ciclos de amplificación
Los cuadrados y letras simbolizan tubitos de reacción o soporte portador de matriz. Eje X: número de los ciclos de amplificación; eje Y: número de muestras. Las flechas indican qué copia de qué matriz se ha producido. La cantidad del material de matriz indicada se cuantificó tras la disociación de los puentes disulfuro por reducción con DTT por análisis de HPLC. A partir de los datos anteriores se calcularon 14 rendimientos individuales. Los rendimientos medios y los errores típicos son: p_{x}= 0,763 +/- 0,071 y p_{y}= 0,855 +/- 0,079. La cantidad de materia de la correspondiente matriz en el ciclo n en nanomoles se compara con su valor teórico (entre paréntesis) que se calcula a partir de (3a,b): x_{0} = 38,87 (38,87); y_{0} = 45,44 (45,44), x_{1} = 72,81 (73,54), y_{1} = 80,71 (78,68), x_{2} = 126,29 (133,58), y_{2} = 138,97 (141,57), x_{3} = 238,90 (241,61), y_{3} = 249,77 (255,80).
Figura 5 Esquema general del procedimiento conforme a la invención
(1) Paso de inmovilización: se inmoviliza una matriz mediante una reacción irreversible con la superficie de un soporte sólido.
(2) Paso de hibridación: la matriz fija fragmentos complementarios de la solución.
(3) Paso de ligación: los fragmentos se enlazan entre sí por enlace químico.
(4) Paso de separación: la copia se libera y se inmoviliza de nuevo en otra parte del soporte sólido, convirtiéndose en una matriz para el siguiente ciclo.
(5) Paso de selección: adición de la matriz a la molécula diana.
(6) Desecho de las matrices que no se unen.
En concreto la figura 1 describe dos formas de realización especiales del procedimiento (I) con los siguientes pasos: un paso de inmovilización del molde, (2) un paso de hibridación o remate, (3) un paso de ligación o copia y (4) un paso de separación o desnaturalización. Se abarcan dos variantes de procedimiento (I y II) de las cuales (I) implica un paso de copia no enzimático y (II) implica un paso de copia enzimático.
(I): En la primera variante de procedimiento se utilizan como molde derivados de oligodesoxi- u oligorribonucleótidos que poseen 10-100 unidades nucleotídicas y o bien contienen un esqueleto natural de uniones 3',5'-fosforamidato, uniones 3',5'-pirofosfato u otras uniones incluidas uniones 2',5'-internucleotídicas. En el esqueleto pueden encontrarse mezcladas uniones naturales y sintéticas.
(con referencia a 1) La inmovilización del molde se efectúa en el extremo 5' a través de un puente disulfuro o a través de la interacción biotina-avidina. En el primer caso, el molde oligonucleotídico a inmovilizar contiene en el extremo 5' una modificación de disulfuro de 2-piridilo y el material soporte grupos tiol libres. La inmovilización tiene lugar aquí por intercambio de disulfuro con disociación de 2-tiopiridona. En el segundo caso se utiliza un molde oligonucleotídico 5'-biotinilado, pudiendo contener el modificador de biotina también un puente disulfuro. La inmovilización tiene lugar por unión de la biotina a la avidina, que a su vez está presente unida a soportes sólidos. Como materiales soporte pueden utilizarse tentageles, agarosa u otros polímeros adecuados incluidos vidrio o papel.
(con referencia a 2) Tras la inmovilización se desactivan los sitios de la superficie no cubiertos mediante un reactivo adecuado. Los grupos tiol se desactivan preferiblemente por tratamiento con disulfuro de 2-hidroxietil -(2-piridilo), pero también con disulfuro de 2,2'-dipiridilo, un alquilano suave, o por oxidación. La avidina libre se desactiva con biotina.
(con referencia a 3) El paso de copia se efectúa por ligación química: oligodesoxinucleótidos, oligorribonucleótidos 2-50-meros complementarios o derivados que contienen o bien un grupo 5'-fosfato y uno 3'-hidroxi o bien un grupo 5'-hidroxi y uno 3'-fosfato o bien un grupo 5'-fosfato y uno 3'-amino o bien un grupo 5'-amino y uno 3'-fosfato o bien un grupo 5'- y uno 3'-fosfato o bien otros grupos químicamente enlazables, se adicionan al molde inmovilizado y en presencia de una carbodiimida hidrosoluble, preferiblemente EDC, u otro agente de condensación como bromuro de cianógeno o N-cianoimidazol se enlazan. El oligodesoxinucleótido complementario al extremo 3' de la matriz inmovilizada posee la función de un 5'-cebador. Este contiene en el extremo 5' una de las modificaciones indicadas en (1) y en el extremo 3' uno de los grupos indicados en (3).
(con referencia a 4) La desnaturalizaciónn con separación de la copia se efectúa o bien ajustando una temperatura elevada adecuada o eluyendo con una solución de urea u otro agente desnaturalizante.
Las copias separadas se inmovilizan en soporte nuevo -como se ha descrito en (1)- y sirven en el paso siguiente como matriz. El nuevo material soporte recubierto se fusiona con aquellos de ciclos anteriores. Las cadenas (+) y (-) pueden fusionarse por separado o conjuntamente. En la fusión por separado los pasos (3) se efectúan alternativamente con cebadores (+) y (-); en la fusión conjunta cada paso (3) se efectúa con ambos cebadores.
(II): En la segunda variante de procedimiento los pasos (1), (3), (4) corresponden a los indicados en (I). El paso (2) implica la prolongación enzimática de un cebador o la ligación enzimática de dos o más fragmentos oligonucleotídicos. La secuencia objetivo a amplificar se transcribe primeramente usando un cebador 5'-modificado en una secuencia inmovilizable 5'-terminal. Tras la inmovilización del molde se efectúa la hibridación con el cebador 5'-modificado y su prolongación mediante dNPT en presencia de una polimerasa. Como alternativa puede realizarse aquí un enlace catalizado por ligasa de oligonucleótidos 5'-fosforilados.
La figura 4 recoge la ruta de cada soporte individual y la cantidad del material obtenido tras cada ciclo de copia para cada ejemplo descrito. En general el rendimiento p de un ciclo de replicación no necesita de modo necesario alcanzar p = 1 para hacer posible un modo de amplificación exponencial. En el caso de matrices palíndrómicas en las que X = Y, A^{x} = A^{y}, B^{x} = B^{y}, la cantidad del material x_{n} que se obtiene tras n ciclos de replicación a partir de una cantidad inicial x_{0} viene dada por:
x_{n} = x_{0}\cdot(1+p)^{n}(1)
que para p > 0 hace posible un crecimiento exponencial. En matrices no palíndrómicas, que sirven de base a nuestros experimentos, cada ronda de replicación consta de dos ciclos de copia con los rendimientos individuales p_{x} y p_{y} para la síntesis de X e Y respectivamente. Aquí la cantidad de las matrices X e Y inmovilizadas sigue la secuencia de iteración:
x_{n+1} = x_{n} + p_{x}\cdoty_{n} e y_{n+1} = y_{n} + p_{y}\cdotx_{n}(2a,b)
lo que exige para un crecimiento exponencial tanto p_{x} > 0 como también P_{y} > 0. Las ecuaciones (2a,b) dan:
6
en las que x_{0} e y_{0} designan la cantidad inicial de X e Y respectivamente. Una comparación de los valores experimentales y teóricos para X_{n} e y_{n}, como está indicado en la leyenda de la figura 4, confirma que los datos mostrados en la figura 4 están de acuerdo con un modo exponencial de la amplificación para materiales de matriz.
El procedimiento (I) combina las ventajas de la química en fase sólida con la replicación química y puede desarrollarse ulteriormente para la amplificación no enzimática y enzimática de ARN, péptidos y otras matrices así como para la evolución darwinista en ecosistemas químicos artificiales. Procesos similares quizás han jugado también un papel en la aparición de la vida en la tierra, pues los sistemas de replicación más tempranos habrían podido multiplicarse por extensión sobre superficies minerales.
Además, el procedimiento conforme a la invención constituye un primer ejemplo de amplificación exponencial y química en estado sólido en la replicación química. La química en fase sólida es un requisito para una automatización practicable del procedimiento, pues esencialmente solo intervienen pasos de pipeteo y filtración. La amplificación exponencial abre la posibilidad de una evolución molecular dirigida. En relación con lo último el procedimiento tiene el potencial de una frecuencia de mutación controlable, pues la liberación de las copias en el paso (4) depende de la estabilidad termodinámica de los dúplex inmovilizados y por consiguiente los mutantes deben eluirse más rápidamente como copias perfectas. Los protocolos, que se basan en ciclos de temperatura (u otros parámetros ambientales) así como en química en solución, pueden utilizarse peor en sistemas químicos que en matrices cortas. Los saltos bruscos negativos de temperatura así como una química de condensación rápida no serían necesarios para impedir el reequilibrio de los complejos oligonucleotídicos implicados. Estas condiciones limitarían entonces necesariamente la exactitud de la copia de las matrices, pues el control termodinámico del reconocimiento molecular establece el umbral para la exactitud de copia en ausencia de un mecanismo corrector de la disipación de energía.
De lo anterior resulta directamente que el procedimiento conforme a la invención es de notable valor para el diseño de sistemas químicos evolutivos. Pueden utilizarse otras matrices, superficies, enlaces matrices-superficies, pueden investigarse variantes enzimáticas y combinarse entre sí distintos pasos de modo que se consiga un mayor nivel de integración y autonomía de procesos. Son concebibles procesos en los que matrices utilizadas se inmovilizan próximas entre sí de modo que el concepto de cuasiespecie [M. Eigen, Naturwissenschaften 58, 465-523 (1971)] alcanza una dimensión espacial. Además, protocolos en los que estén implicados dos o más clases de moléculas matriz, como oligonucleótidos y péptidos, pueden contribuir a la selección y descubrimiento de sistemas cooperativos más complejos. A corto plazo el procedimiento ya puede aplicarse a la química de la replicación de péptidos y ARNp descrita por los grupos de D.H. Lee y col., Nature 382, 525-528 (1996) y B. Martin y col., Helv. Chim. Acta 80, 1901-1951 (1997), así como para la síntesis del llamado ARN-especularómero (Jens Fürste y col., Nature Biotechnology 14, 1112, 1116; 15, 229).
La invención se ilustra además mediante el ejemplo siguiente.
Ejemplo Materiales
La síntesis de dos matrices 14-meras complementarias, X e Y así como de los cuatro fragmentos de matriz, A^{x}, B^{x}, A^{y} y B^{y} se llevó a cabo utilizando química de fosforamidito convencional, por ejemplo la de L. Beaucage y R. P. Iyer, Tetrahedron 48, 2223-2311 o L. Beaucage y col., Tetrahedron Lett. 22, 1859-1862 (1981). El soporte modificado con tiol se obtuvo a partir de Agarose® activada con disulfuro de 2-piridilo que puede adquirirse comercialmente (Sepharose® 6B, Pharmacia) por reducción con ditiotreíta (DTT).
Tampón de reducción (RB): DTT 100 mM, Tris-HCl 40 mm, NaCl 0,5 M, EDTA 1 mM, pH 7,9: tampón de inmovilización (IB): acetato sódico/ácido acético 370 mM, NaCl 0,5 M, EDTA 1 mM, pH 4,4, desgasificado con argón para expulsar el oxígeno.
Tampón de remate (CB): S-(2-tiopiridil)-2-mercaptoetanol, MES 40 mM, NaCl 0,5 M, EDTA 1 mM, pH 6,5.
Tampón de hibridación (HB): MES 100 mM, MgCl_{2} 40 mM, NaCl 1 M, disulfuro de 2,2'-dipiridilo 1 mM, pH 6,1.
Tampón de enlace (LB): HB con EDC 0,2 M, fresco antes del enlace químico.
Procedimiento general
Si no se indica otra cosa todas las reacciones soportadas se realizaron a 25ºC en filtros de centrífuga micro-spin (0,5 ml, acetato de celulosa de poros de 0,45 \mum, Roth) que se apilaron en tubitos Eppendorff (1,5 ml). A cada filtro se le cargó una serie de 16 filtros con 50 mg de Sepaharose® 6B húmeda (lavados conforme a las instrucciones del fabricante) y entonces se centrifugó (3 min a 4000 x g) para eliminar el sobrenadante. Antes de un paso de inmovilización las perlitas se agitaron en vórtex en 400 \mul de RB durante 1 h para producir la forma tiol de la Sepaharose 6B. Entonces se reemplazó el RB por IB repitiendo la adición de tampón, tratamiento con ultrasonidos (10 s) y centrifugación seis veces.
Inmovilización
Se agitó en vórtex una suspensión de SH-Sepaharose® en 400 \mul de IB que contenía 20-40 nmol de la respectiva matriz durante 1 h a 1000 rpm.
Remate
Se añadieron 100 \mul de CB a la suspensión anterior. Tras 1 h de agitación las perlitas se separaron por centrifugación, se suspendieron de nuevo en 400 \mul de CB y se agitaron en vórtex durante 1 h a 25ºC. Entonces se reemplazó el CB por una solución de S-(2-tiopiridil) -2-mercaptoetanol 200 mM en etanol. Después de 2 h de agitación en vórtex a 70ºC las perlitas se lavaron con etanol (5 x 200 \mul) y NaCl 1M (5 x 200 \mul).
Hibridación
Las perlitas se resuspendieron en 250 \mul de HB que contenía el heptámero complementario en una concentración de 400 \muM. La temperatura se elevó a 85ºC, en el transcurso de 1 h se redujo a 4ºC y se mantuvo durante 2 h a este valor. El heptámero sobrante se eliminó lavando las perlitas con tres porciones de 200 \mul de NaCl 1M a 4ºC.
Enlace químico
Las perlitas se resuspendieron en 375 \mul de LB, se agitaron en vórtex durante 40 h a 4ºC y se lavaron tres veces con 200 \mul de NaCl 1 M a 4ºC.
Desnaturalización
Se insertó un filtro micro-spin con las correspondientes perlitas en un tubito Eppendorf que contenía 150 \mul de tampón acetato 1M (pH 4,4). Las perlitas se resuspendieron y se agitaron ligeramente en 50 \mul de NaOH 0,1 M, y el sobrenadante se transfirió por centrifugación (7000 x g, 30 s) a un tubito Eppendorf. Tras repetir tres veces este paso del procedimiento la solución resultante (400 \mul) estaba ya lista para el siguiente ciclo. Las perlitas se reciclaron mediante lavado con cuatro porciones de HB.
\newpage
HPLC
Todas las muestras de HPLC sin tampón de reducción (RB) se llevaron antes del análisis a una concentración de 100 mM de DTT para garantizar la reproducibilidad. Todas las separaciones se llevaron a cabo en una columna RP-C-18 (250, Nucleosil® 120-5 AB, Macherey & Nagel. Eluatos: acetato de trietilamonio 0,1 M (pH = 7)/MeCN 1% (A) y MeCN (B). Las mediciones analíticas se efectuaron a 50ºC utilizando un gradiente de 2% a 6% de A en dos minutos, de 6% a 25% en 30 min y una velocidad de flujo de 1 ml/min. El eluato se controló simultáneamente a 254 nm y 273 nm. Equipo (Kontron): dos bombas 422, inyector automático de muestras 465, integrador 440. Como sistema registrador de datos se utilizó un Kroma 2000.
Experimento
Para la realización del procedimiento esquematizado en la figura 2 en primer lugar se inmovilizaron las matrices 14-meras X e Y utilizando reacciones de intercambio de disulfuro [J.R. Lorsch, Nature 371, 31-36 (1994) en una respectiva carga del soporte con SH, obteniéndose los soportes que portaban matriz X0 e Y0. La eficiencia del paso de inmovilización se determinó por análisis de HPLC del sobrenadante (figura 3a,b). Los restantes grupos tiol del soporte se remataron por reacción con S-(2-tiopiridil)-2-mercaptoetanol. Entonces los fragmentos A^{x}, B^{x} y A^{y}, B^{y} se hibridaron con las matrices inmovilizadas Y0 y X0 respectivamente.
Para la determinación de la eficiencia de hibridación una parte del soporte se redujo con DTT y se analizó por HPLC (figura 3c). El enlace químico [N.G. Dolinnaya y col., Nucleic Acids Res. 19, 3073-3080 (1991); K.D. James y col., Chem. Biol. 4, 595-605 (1997)] se consiguió intercambiando el tampón de hibridación por un tampón de enlace que contenía clorhidrato de N-etil-N'-(dimetilaminopropil)-carbodiimida (EDC) como agente de condensación.
Para la determinación de la eficiencia de ligación se controló la formación de producto por análisis de HPLC de la mezcla de productos que se obtuvo tras la escisión de los enlaces disulfuro de una alícuota del soporte portador de matriz con DTT como agente reductor (figura 3d). Entonces se liberaron las copias por lavado del soporte con NaOH 0,1 M, se analizaron por HPLC y de nuevo se inmovilizaron sobre dos nuevas cargas del soporte con SH, lo que proporcionó los soportes portadores de matriz X1 (copia del soporte portador de matriz Y0) e Y1 (copia del soporte portador de matriz X0).
Para la siguiente generación se repitió todo el ciclo de pasos con cada una de las cuatro cargas X0, Y0, X1 e Y1, lo que proporcionó Y2, X2, Y3 y X3 respectivamente. Otra ronda proporcionó los soportes portadores de matriz X4..X7, Y4..Y7 (figur 3e,f).
\vskip0.333000\baselineskip
<110> von Kiedrowski, Günther
\hskip1.1cm
Noxxon Pharma AG
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\vskip0.333000\baselineskip
<120> Procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.333000\baselineskip
<130> 992074wo/JH/ml
\vskip1.000000\baselineskip
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<140>
\vskip0.333000\baselineskip
<141>
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\vskip0.333000\baselineskip
<160> 1
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\vskip0.333000\baselineskip
<170> PatentIn Ver. 2.1
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<210> 1
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<211> 14
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<212> ADN
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<213> Secuencia artificial
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip0.333000\baselineskip
<220>
\vskip0.333000\baselineskip
<223> Descripción de la secuencia artificial: matriz de referencia
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\vskip0.333000\baselineskip
<400> 1
\vskip0.333000\baselineskip
\dddseqskip
gaatccatgg taag
\hfill

Claims (20)

1. Procedimiento para la amplificación exponencial de matrices moleculares, que comprende
(a)
la unión de matrices moleculares a la superficie de una fase sólida mediante un engarce reversible a la matriz;
(b)
la adición de fragmentos de matriz, presentando uno de los fragmentos una unidad de engarce dado el caso protegida;
(c)
la síntesis de copias de la matriz;
(d)
la eliminación de fragmentos de la matriz en exceso y de coadyuvantes de reacción;
(e)
la separación de las copias de la matriz;
(f)
la colonización de sitios de unión libres en la fase sólida por copias de matriz sintetizadas; y
(g)
la repetición frecuente a voluntad de los pasos (a)-(f)
2. Procedimiento conforme a la reivindicación 1, en el que las copias de las matrices generadas en el paso (e) son idénticas o complementarias a las matrices de partida.
3. Procedimiento conforme a la reivindicación 1, en el que se utilizan dos o más procedimientos de inmovilización ortogonales en dos o más superficies.
4. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, en el que tras el paso (a) se bloquean los sitios de unión restantes en la fase sólida.
5. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 a 4, en el que los sitios de unión libres en la fase sólida se generan en el paso (f) por liberación de nuevos sitios de unión en la fase sólida, adición de nuevo material de fase sólida o transferencia de la copia de matriz formada en (e) sobre nuevo material de fase sólida.
6. Procedimiento conforme a la reivindicación 5, en el que las matrices generadas en el paso (e) son complementarias a las matrices de partida y se transfieren sobre nuevo material de matriz.
7. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la unidad de engarce del fragmento de matriz está protegida en el paso (b) y las copias de matriz formadas en el paso (e) se desprotegen.
8. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 a 7, en el que las matrices presentan una longitud de 2 a 2000, en especial de 4 a 50 unidades monómeras y como fragmentos de matriz se utilizan unidades monómeras u oligómeros de unidades monómeras.
9. Procedimiento conforme a la reivindicación 1 u 8, en el que la cantidad de matriz utilizada en el paso (a) alcanza de 10^{-15} a 10^{-1} mol/l y la concentración de los fragmentos de matriz en el paso (b) alcanza de 10^{-12} a 1 mol/l.
10. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 - 9, en el que las matrices moleculares están seleccionadas entre nucleótidos y derivados de nucleótidos, péptidos y derivados de péptidos.
11. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 - 10, en el que los enlaces formados en el paso (c) están seleccionados entre enlaces diéster del ácido fosfórico, esteramida del ácido fósfórico, éster, amida, disulfuro, acetal y C-C.
12. Procedimiento conforme a la reivindicación 1 u 11, en el que el enlace de unión en el paso (c) se realiza químicamente o por enlace enzimático.
13. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 - 12, en el que el engarce se une a la fase sólida por enlaces covalentes o no covalentes.
14. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 1 - 13, en el que el material de la fase sólida está seleccionado entre material orgánico o inorgánico o entre un híbrido de estos materiales.
15. Procedimiento para la evolución química por amplificación exponencial de matrices moleculares, que comprende uno o varios ciclos de evolución de
\newpage
(1)
selección de una subpoblación de matrices moleculares de una biblioteca combinatoria de partida; y
(2)
amplificación y mutación de las matrices selectivas para proporcionar una biblioteca de mutantes, que comprende más de uno de los ciclos de amplificación (a) a (f) definidos en las reivindicaciones 1 a 14.
16. Procedimiento conforme a la reivindicación 15, en el que la selección de la subpoblación de matrices moleculares en el paso (1) se efectúa mediante una unión reversible a una o más estructuras diana.
17. Procedimiento conforme a la reivindicación 15 ó 16, en el que la biblioteca de mutantes obtenida en el paso (2) es la biblioteca de partida para el siguiente ciclo de evolución.
18. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 15 - 17, en el que la mutación se controla mediante los parámetros de reacción en los pasos (b) y (c) del ciclo de amplificación.
19. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 15 - 18, en el que el primer ciclo de evolución comprende también el siguiente paso (1'):
(1')
proveer a las matrices moleculares seleccionadas de un engarce reversible.
20. Procedimiento conforme a una o varias de las reivindicaciones 15 - 19, en el que en el paso de separación (e) se efectúa una selección adicional por separación selectiva.
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