ES2303083T3 - Determinacion de la secuencia de un polinucleotido. - Google Patents

Determinacion de la secuencia de un polinucleotido. Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para identificar la secuencia de un polinucleótido diana, que comprende: (i) poner en contacto el polinucleótido diana con una enzima polimerasa y uno de los nucleótidos A, T (U), G y C en condiciones adecuadas para que avance la reacción de la polimerasa; (ii) medir el tiempo que tarda la polimerasa en unirse a y posteriormente disociarse del polinucleótido diana, para determinar así si la polimerasa ha incorporado el nucleótido en el polinucleótido diana; (iii) opcionalmente repetir las etapas (i) y (ii) con otros nucleótidos, para identificar así la secuencia del polinucleótido diana.

Description

Determinación de la secuencia de un polinucleótido.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a procedimientos para determinar la secuencia de un polinucleótido o para detectar variaciones entre secuencias de polinucleótidos.
Antecedentes de la invención
La capacidad para determinar la secuencia de un polinucleótido es de gran importancia científica, tal como se demuestra por el Proyecto Genoma Humano, que ha determinado ahora la secuencia completa de los tres billones de bases del genoma humano. Sin embargo, esta información de secuencia representa un ser humano medio y existe una considerable necesidad de entender las diferencias entre individuos a nivel genético.
El procedimiento principal de uso general para la secuenciación de ADN a gran escala es el procedimiento de terminación de cadena. Este procedimiento se desarrolló por primera vez por Sanger y Coulson (Sanger et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1977; 74: 5463-5467), y se basa en el uso de derivados de didesoxi de los cuatro nucleósidos trifosfato que se incorporan en la cadena de polinucleótido naciente en una reacción en cadena de la polimerasa. Con la incorporación, los derivados de didesoxi terminan la reacción de la polimerasa y entonces se separan los productos mediante electroforesis en gel y se analizan para revelar la posición en la que se incorporó el derivado de didesoxi particular en la cadena.
Aunque este procedimiento se usa comúnmente y produce resultados fiables, se reconoce que es lento, requiere mucha mano de obra y es caro. Además, no es un procedimiento eficaz para detectar las diferencias entre dos secuencias, que a menudo pueden estar constituidas por un cambio de una sola base (conocido como un polimorfismo de un solo nucleótido o SNP).
Las matrices de ácido nucleico se han convertido recientemente en un procedimiento preferido de determinación de secuencias de polinucleótido y SNP, normalmente según el contexto de acontecimientos de hibridación (Mirzabekov, Trends in Biotechnology (1994) 12:27-32). Un gran número de procedimientos de secuenciación basados en matrices utilizan nucleótidos marcados con el fin de obtener la identidad de las bases añadidas (hibridadas). Estas matrices se basan en la identificación progresiva de bases marcadas de manera adecuada, a lo que se hace referencia en el documento US-A-5634413 como procedimientos de secuenciación "de una sola base". Tales procedimientos "de una sola base" utilizan dos tipos de marcador; el radiomarcador y el marcador fluorescente. El radiomarcado de nucleótidos tiene las ventajas de alta sensibilidad y bajo fondo. Sin embargo, el radiomarcado presenta una escasa resolución.
Los nucleótidos marcados de manera fluorescente se usan ahora ampliamente en muchas técnicas. Tales nucleótidos pueden incorporarse en la cadena de polinucleótido naciente de manera progresiva mediante la reacción en cadena de la polimerasa. Cada uno de los diferentes nucleótidos (A, T, G y C) incorpora un único fluoróforo en la posición 3' que puede detectarse usando un detector fluorescente sensible, por ejemplo un detector de carga acoplada (CCD). El fluoróforo a menudo también actúa como un "grupo de bloqueo", que elimina la capacidad del nucleótido incorporado para servir como sustrato para otra adición de nucleótidos y, por tanto, evita la polimerización incontrolada. A menudo, se usa un "grupo de bloqueo eliminable", que puede eliminarse mediante un tratamiento específico que da como resultado la rotura del enlace covalente entre un nucleótido y el grupo de bloqueo, dejando que continúe la reacción de secuenciación.
Los grupos de bloqueo eliminables se basan en varias estrategias posibles para el tratamiento de eliminación, por ejemplo, un tratamiento fotoquímico, químico o enzimático. Sin embargo, éstos han demostrado ser difíciles de controlar y aplicar. Las diferencias en entornos locales, por ejemplo dentro de una matriz, pueden dar como resultado la eliminación de un nucleótido completo, o incluso de varios nucleótidos, en lugar de sólo el marcador pretendido. Tales casos tienen serias consecuencias para la fidelidad del procedimiento de secuenciación, ya que la eliminación incontrolada de nucleótidos da como resultado que los datos de secuenciación se vuelvan desfasados y los datos de secuencia se vuelvan corruptos o inservibles.
Otra desventaja adicional de ambos procedimientos de marcado es que las secuencias de repetición pueden conducir a ambigüedad de los resultados. Este problema se reconoce en Automation Technologies for Genome Characterisation, Wiley-Interscience (1997), ed. T.J. Beugelsdijk, capítulo 10:205-225.
Por tanto, existe la necesidad de un procedimiento mejorado para identificar la secuencia de un polinucleótido, en particular para detectar variaciones dentro de una secuencia de polinucleótido, por ejemplo para detectar SNP, que combina la alta sensibilidad y bajo fondo de los nucleótidos radiomarcados con la alta resolución de los marcadores marcados de manera fluorescente. Además, el procedimiento podría llevarse a cabo mediante procedimientos automatizados de alto rendimiento, reduciendo el coste asociado con los procedimientos existentes.
Sumario de la invención
La presente invención se basa en la comprensión de que la identificación de una secuencia de polinucleótido puede llevarse a cabo midiendo el tiempo durante el cual una polimerasa se une a un polinucleótido diana durante una reacción de la polimerasa. En general, una polimerasa pasará menos tiempo unida al polinucleótido diana cuando no existe ningún nucleótido disponible para la incorporación. Por tanto, si el único nucleótido disponible no es complementario, la polimerasa se unirá al polinucleótido durante un periodo abreviado, y éste puede determinarse para revelar la identidad de la secuencia complementaria del polinucleótido diana.
Según un primer aspecto de la presente invención, un procedimiento de identificación de la secuencia de un polinucleótido comprende:
(i)
poner en contacto el polinucleótido diana con una enzima polimerasa y uno de los nucleótidos A, T(U), G y C en condiciones adecuadas para que avance la reacción de la polimerasa;
(ii)
medir el tiempo que tarda la polimerasa en unirse a y posteriormente disociarse del polinucleótido diana, para determinar así si la polimerasa ha incorporado el nucleótido en el polinucleótido diana; y
(iii)
opcionalmente repetir las etapas (i) y (ii) con otros nucleótidos, para identificar así la secuencia del polinucleótido diana.
Según un segundo aspecto de la presente invención, un procedimiento para la identificación de una mutación en un polinucleótido diana, comprende las etapas de:
(i)
poner en contacto el polinucleótido diana con una enzima polimerasa y uno de los nucleótidos A, T (U), G y C en condiciones adecuadas para que avance la reacción de la polimerasa; y
(ii)
medir el tiempo que tarda la polimerasa en unirse a y posteriormente disociarse del polinucleótido diana, para identificar así si la polimerasa ha incorporado el nucleótido en el polinucleótido diana, y con referencia a la secuencia nativa de la diana, determinar si existe una mutación.
Descripción de la invención
El término "polinucleótido" o "polinucleótido diana" tal como se usa en el presente documento ha de interpretarse ampliamente, e incluye ADN y ARN, incluyendo ADN y ARN modificados, así como otras moléculas de tipo ácido nucleico de hibridación, por ejemplo, ácido nucleico peptídico (PNA). El polinucleótido diana puede ser bicatenario o monocatenario. Preferiblemente, el polinucleótido diana es al menos parcialmente monocatenario y más preferiblemente tiene una secuencia de cebador unida a él, de tal manera que la enzima polimerasa puede fijarse al polinucleótido diana, tal como apreciará un experto en la técnica.
La enzima es una enzima polimerasa, que interacciona con el polinucleótido diana en el procedimiento de extender una cadena complementaria, y puede ser de cualquier tipo conocido. Por ejemplo, la polimerasa puede ser cualquier ADN polimerasa dependiente de ADN. Si el polinucleótido diana es una molécula de ARN, entonces la polimerasa puede ser una ADN polimerasa dependiente de ARN, es decir transcriptasa inversa, o a ARN polimerasa dependiente de ARN, es decir ARN replicasa. Las enzimas primasa también están incluidas dentro de la defini-
ción.
El polinucleótido diana se ubica preferiblemente en un sitio específico sobre un material de soporte. Preferiblemente, el polinucleótido se ubica mediante inmovilización sobre un soporte sólido. Soportes adecuados para su uso en la inmovilización del polinucleótido serán evidentes para el experto, por ejemplo pueden usarse materiales de silicio, vidrio o cerámica. La inmovilización puede llevarse a cabo mediante medios covalentes o no covalentes. Por ejemplo, pueden usarse moléculas conectoras covalentes. En una realización preferida, se inmoviliza un cebador sobre el material de soporte y se hibrida con él el polinucleótido diana. Como alternativa, la hibridación del polinucleótido diana y el cebador puede tener lugar en disolución y el cebador o bien el polinucleótido diana se fija posterior, o simultáneamente, a un material de soporte.
Pueden inmovilizarse uno o más polinucleótidos diana sobre el material de soporte sólido. En una realización preferida, se fijan al soporte una pluralidad de polinucleótidos diana. Estas "matrices" de polinucleótidos diana pueden ser de cualquier densidad conocida, incluyendo matrices de alta densidad de múltiples moléculas así como matrices "de una sola molécula" en las que pueden resolverse las ubicaciones del polinucleótido individual, es decir, es posible controlar que la reacción de la polimerasa se produzca en un solo polinucleótido.
Como una primera etapa en el procedimiento de secuenciación, puede ponerse en contacto el polinucleótido diana con un cebador apropiado en un tampón de hibridación/polimerización. Normalmente, el tampón estará a una temperatura suficientemente alta para romper (o fundir) cualquier estructura secundaria que exista en el polinucleótido diana. Con enfriamiento, el cebador se reasociará con su complemento en la diana. Entonces ésta se pone en contacto con la polimerasa, para formar el complejo de polinucleótido diana/polimerasa.
En una realización de la invención, se controla la adición de los nucleótidos de modo que se añadan secuencialmente los diferentes nucleótidos al complejo polimerasa/diana. Por ejemplo, puede añadirse dGTP y dejarlo fluir sobre el complejo de polimerasa/polinucleótido; entonces se determina el tiempo durante el cual la polimerasa se compleja al polinucleótido. El dGTP no unido fluye fuera del sitio de reacción y se introduce otro nucleótido. De esta manera, puede correlacionarse el tiempo durante el cual se forma el complejo con el nucleótido particular presente durante ese tiempo y, por tanto, puede determinarse la secuencia del polinucleótido.
También pueden iniciarse la reacción mediante la adición de la polimerasa a una mezcla de reacción que comprende el polinucleótido diana y el nucleótido. Tras controlar el tiempo que tarda la polimerasa en asociarse con y disociarse del polinucleótido diana, pueden eliminarse los nucleótidos no unidos e introducir el siguiente nucleótido para llevar a cabo otras etapas de secuenciación.
La incorporación de un nucleótido en la diana requiere que la polimerasa se asocie con la diana durante un periodo más largo que el que tarda cuando no es posible ninguna incorporación. Por tanto, la medición de la asociación entre la polimerasa y la diana revela que si se ha producido un acontecimiento de incorporación para las regiones en la diana que tienen nucleótidos secuenciales del mismo tipo, aumentará proporcionalmente el tiempo de asociación. Por tanto el procedimiento puede usarse para identificar nucleótidos consecutivos del mismo tipo.
Puede llevarse a cabo la detección de la interacción entre la enzima polimerasa y el polinucleótido diana midiendo los cambios en la radiación aplicada. La medición de los cambios en la radiación que se produce en la interacción entre la polimerasa y el polinucleótido diana puede llevarse a cabo usando aparatos convencionales.
En una realización, la interacción de la polimerasa con el polinucleótido diana se mide usando a sistema no lineal de obtención de imágenes.
Los sistemas no lineales de obtención de imágenes se conocen en la técnica. En general, la polarización no lineal para un material puede expresarse como:
P = X^{(2)}E^{1} + X^{(2)}E^{2} + X^{(2)}E^{3} + ...
en la que P es la polarización inducida, X^{(n)} es la susceptibilidad no lineal de orden n y E es el vector de campo eléctrico. El primer término describe la absorción normal y la reflexión de la luz; el segundo describe la generación del segundo armónico (SHG), generación de la frecuencia suma y diferencia; y el tercero describe la dispersión de la luz, procedimientos Raman estimulados, la generación del tercer armónico (TGH) y tanto la absorción de dos como de tres fotones.
Un sistema de obtención de imágenes preferido de la presente invención se basa en la detección de la señal que surge a partir de la generación del segundo o tercer armónico.
La resolución de una sola molécula usando la generación del segundo o tercer armónico (denominado como SHG a continuación en el presente documento) se conoce en la técnica (Peleg et al., Proc. Natl. Acad, Sci. USA, 1999;95:6700-6704 y Peleg et al., Bioimaging, 1996; 4: 215-224). Se describen sistemas adecuados en el documento WO-A-02/095070.
En una realización, se lleva a cabo la detección en fase de disolución (es decir, no se inmovilizan la polimerasa y el polinucleótido diana) usando dispersión Raman y/o técnicas LSPR.
Cuando se dirige luz sobre una molécula, la gran mayoría de los fotones incidentes se dispersan de manera elástica sin un cambio en la frecuencia. Esto se denomina dispersión de Rayleigh. Sin embargo, la energía de algunos de los fotones incidentes (aproximadamente 1 de cada 10^{7} fotones) se acopla en distintos modos de vibración de los enlaces de la molécula. Tal acoplamiento produce que parte de la luz incidente se disperse de manera inelástica por la molécula con un intervalo de frecuencias que difieren del intervalo de la luz incidente. Esto se denomina efecto Raman. Representando gráficamente la frecuencia de tal luz dispersada de manera inelástica frente a la intensidad, se obtiene el espectro Raman único de la molécula en investigación. El análisis del espectro Raman de una muestra desconocida puede proporcionar información sobre la composición molecular de las muestras.
El efecto Raman puede intensificarse significativamente acercando (<50 \ring{A}) la(s) molécula(s) activas en Raman a una superficie metálica estructurada, este campo disminuye exponencialmente al alejarse de la superficie. La puesta en proximidad de las moléculas a las superficies metálicas se logra normalmente a través de la adsorción de la molécula activa en Raman sobre oro hecho rugoso de manera adecuada, cobre plateado u otros metales con electrones libres. La intensificación superficial de la actividad Raman se observa con partículas coloidales metálicas, películas metálicas sobre sustratos dieléctricos y con matrices de partículas metálicas. El mecanismo mediante el cual tiene lugar esta dispersión Raman intensificada por superficies no se entiende bien, pero se cree que resulta de una combinación de (i) resonancias de plasmón superficial en el metal que intensifican la intensidad local de la luz, y; (ii) la formación y posteriores transiciones de complejos de transferencia de carga entre la superficie metálica y la molécula activa en Raman.
El efecto Raman puede utilizarse para medir el tiempo de asociación entre la polimerasa y el polinucleótido diana. Se prefiere que la diana esté inmovilizada sobre una superficie metálica, para mejorar la señal Raman.
En una realización preferida de la presente invención, se emplea la dispersión Raman intensificada por superficies (SERS) mediante el uso de una nanopartícula coloidal metálica unida a la polimerasa, por ejemplo, una nanopartícula de oro o plata. Una nanopartícula metálica con intensificación Raman que tiene asociada o unida a ella una(s) molécu-
la(s) activa(s) en Raman puede tener utilidad como un marcador óptico. Este concepto general se explica resumidamente en la patente estadounidense número 6.514.767, cuyo contenido se incorpora al presente documento por referencia. En una realización, pueden detectarse el polinucleótido diana y una polimerasa buscando el espectro Raman único de la molécula activa en Raman. Ya que un espectro Raman individual (desde 100-3500 cm-1) puede detectar muchas moléculas activas en Raman diferentes, pueden usarse las nanopartículas activas en SERS unidas a o asociadas con la polimerasa en el contexto de la presente invención dentro de formatos de ensayo multiplexados.
En una realización separada, se controlan los cambios en la radiación utilizando tecnología de onda electromagnética superficial.
Los biosensores que incorporan la tecnología de onda electromagnética superficial (y, en particular, sensores de resonancia de plasmón superficial, SPR) se basan en la sensibilidad de las ondas electromagnéticas superficiales (SEW) al índice de refracción de la capa fina adyacente a la superficie en la que se propaga la SEW. En el biosensor, la polimerasa y el/los nucleótido(s) se dejan fluir a través de la superficie que contiene el polinucleótido diana inmovilizado. Mientras se produce la unión, la acumulación o redistribución de masa sobre la superficie cambia el índice de refracción local que puede controlarse en tiempo real mediante el sensor.
Se han propuestos varios procedimientos que utilizan la tecnología SPR y se ha realizado en biosensores. Los procedimientos más populares se basan en la configuración Kretschmann-Raether en la que se controla la intensidad de la luz reflejada desde el sensor. Esta técnica, que se considera una de las más sensibles, se describe en J. Homola et al, Sensors and Actuators B 54, págs. 3-15 (1999) y tiene un límite de detección de 5 x 10^{-7} unidades de índice de refracción. La medición de los cambios de fase de SPR puede aumentar además la sensibilidad del sensor en uno o dos órdenes de magnitud. Esto se describe en Nelson et al, Sensors and Actuators B 35-36, pág. 187 (1996) y en Kabashkin et al, Optics Communications 150, pág. 5 (1998). Los dispositivos interferométricos de la técnica anterior tales como un dispositivo Mach-Zehnder se han configurado para medir variaciones en el índice de refracción en la superficie del sensor mediante desplazamientos de fase. Esto se describe en la publicación internacional de patente WO-A-0120295. La configuración requiere cuatro componentes independientes y es sensible a sustituciones relativas de sublongitud de onda de estos componentes y, por tanto, a perturbaciones mecánicas y ambientales muy pequeñas. Un diseño interferométrico monolítico más robusto mecánicamente se explica resumidamente en el documento WO-A-03014715.
En una realización preferida, se usa un sistema de sensor de onda electromagnética superficial (SEW) que puede compensar cambios en el índice de refracción aparente de un tampón o que permite que se separe la contribución del índice de refracción aparente con respecto a un patrón de interferencia de la contribución de un analito absorbido sobre la superficie del sensor. Por tanto, el biosensor comprende:
una fuente de radiación coherente para producir una onda incidente;
una superficie portadora para soportar el polinucleótido inmovilizado, la superficie de portadora montada sobre un sustrato y que puede soportar ondas electromagnéticas superficiales (SEW);
medios para dividir la onda incidente en una SEW y una primera onda dispersada, en los que la SEW se propaga a lo largo de la superficie portadora e interacciona con el polinucleótido inmovilizado;
medios para generar una segunda onda dispersada a partir de la SEW; y
un detector para controlar la interferencia entre la primera onda dispersada y la segunda onda disper-sada.
En esta realización, se enfoca un haz óptico coherente generado por un láser monocromático usando una lente, sobre el borde de una película metálica que puede soportar ondas electromagnéticas superficiales (SEW). El haz óptico pasa a través de un prisma de vidrio sobre el que se monta la película metálica. Se usa un láser de infrarrojo cercano como la fuente de iluminación. El uso de una fuente de infrarrojo cercano tiene la ventaja de una longitud de propagación larga para plasmones superficiales en oro y plata, mientras que todavía pueden usarse los componentes ópticos convencionales para la obtención de imágenes y la iluminación. Sin embargo, son adecuadas y pueden usarse otras fuentes monocromáticas.
Este sistema se describe en el documento WO-A-04/020985, cuyo contenido se incorpora en el presente documento por referencia.
En una realización preferida, se marca la polimerasa.
El término "marcador" tal como se usa en el presente documento puede interpretarse ampliamente. Serán evidentes para el experto los marcadores adecuados. En una realización preferida, el marcador es un fluoróforo. En una realización particular, la polimerasa se prepara como una fusión recombinante con GFP (proteína verde fluorescente). Ésta puede ser GFP de tipo natural o bien mutantes desplazados espectralmente de la misma (Tsien, Ann. Rev. Biochem., 1998; 67:509, documentos US 5.777.079 y US 5.625.048). La GFP puede ubicarse en el extremo N- o C-terminal de la enzima (el extremo C-terminal puede ser deseable si va a usarse una polimerasa conjuntamente con una "abrazadera deslizante"). Como alternativa, la molécula de GFP puede ubicarse en cualquier sitio dentro de la enzima, siempre que se conserve la actividad enzimática. Pueden usarse marcadores alternativos. Se han notificado varias estrategias para marcar moléculas, tales como microesferas (Anal. Chem. (2000) 72, 15:3678-3681), nanopartículas de oro (J. Am. Chem. Soc. (2000) 122, 15:3795-3796), partículas coloidales de plata (PNAS, (2000) 97, 3:996-1001) y puntos cuánticos. Puede utilizarse cualquier técnica de marcado que permita la resolución inequívoca de la interacción de la polimerasa con el polinucleótido diana y el nucleótido dentro del contexto de la presente invención. Preferiblemente, se usa un marcador que permite la resolución temporal de la unión y/o desunión de la enzima del complejo de polinucleótido diana:nucleótido.
Preferiblemente, se produce una matriz de polinucleótidos diana inmovilizados y se hace fluir la enzima polimerasa sobre la matriz en condiciones suficientes para la actividad de la enzima, junto con al menos uno de los cuatro nucleótidos. Más preferiblemente, esto tiene lugar dentro de una célula de flujo. Entonces, se obtienen imágenes de cada "ubicación de matriz" dentro de la matriz, que contiene un solo polinucleótido diana inmovilizado o una pluralidad de polinucleótidos diana idénticos, a una resolución temporal que permite la resolución de la unión de la enzima al complejo de polinucleótido diana/nucleótido, preferiblemente, desde 1 hasta al menos varios miles de
hercios.
En otra realización preferida, la enzima polimerasa se marca con un par de transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET). Este sistema se describe en el documento WO-A-01/25480. Tal como apreciará un experto en la técnica, un par FRET requiere un fluoróforo y una segunda molécula que puede interaccionar con el fluoróforo, actuando como un dador o aceptor de energía. La interacción entre el par altera el espectro de emisión del/de los fluoróforo(s), que se detecta. La segunda molécula puede ser otro fluoróforo, o cualquier otra molécula adecuada, tal como una partícula metálica. Preferiblemente se usa un par FRET clásico, en el que ambos marcadores son fluoróforos, elegidos de modo que la longitud de onda de emisión de un fluoróforo corresponda a la longitud de onda de excitación del otro. Las ubicaciones de inmovilización sobre la enzima se eligen de tal manera que los fluoróforos se muevan uno con relación al otro cuando se une la enzima al polinucleótido formando el complejo ternario. Este movimiento relativo entre el par FRET dará como resultado un desplazamiento espectral de la emisión a partir del par, dependiendo de la manera en la que se haya designado el par FRET. Entonces se acopla más o menos energía en el aceptor procedente del dador, lo que conduce a la excitación o atenuación de la fluorescencia del dador. Esto se controla con alta resolución temporal, para obtener la información deseada. Preferiblemente, el dispositivo usado para obtener imágenes del grado de fluorescencia es un dispositivo de carga acoplada (CCD), con tiempo de lectura rápido y componentes ópticos apropiados para una alta resolución espacial.
El sistema de resolución requerido para controlar la interacción entre la polimerasa y la diana puede modificarse para tener en cuenta la necesidad de "barrer" la muestra en estudio. Tal barrido es especialmente probable en sistemas de alta resolución, tales como sistemas de una sola molécula. A los altos niveles de resolución espacial requeridos para experimentos con una sola molécula, el área de observación eficaz se reduce en consecuencia. Ya que el análisis "cinético" normalmente requiere control en "tiempo real" continuo en una sola área definida, el barrido introduce el problema del control discontinuo. Tal control discontinuo es incompatible con el análisis cinético ya que pueden perderse acontecimientos de interacción. En un aspecto preferido de la presente invención, por tanto, se emplean nucleótidos marcados en el extremo 5 prima; actuando el marcador como un grupo de bloqueo eliminable. Por tanto, en situaciones en las que se emplea alta resolución espacial (tales como matrices de una sola molécula en las que la región de observación normalmente es sólo de 100 \mum por 100 \mum y el chip normalmente es al menos 100 veces mayor), la región de observación se "mueve" a una nueva ubicación y esa región se ilumina con radiación (por ejemplo, UV) adecuada para eliminar el grupo de bloqueo. Esta estrategia garantiza que los acontecimientos de asociación/cinéticos sólo se produzcan en una región "observada". Entonces la región "observada" puede moverse alrededor del chip y exponiendo sólo la región en observación a radiación suficiente para desbloquear el nucleótido, sólo tienen lugar interacciones selectivas en esta región.
En otra realización preferida separada, se confinan las áreas de obtención de imágenes en células de flujo individuales, es decir en el caso en el que el área de observación está limitada a 100 um por 100 \mum, la célula de flujo se restringe aproximadamente a estas dimensiones relativas. Por tanto, en esta realización, los nucleótidos sólo se inyectan en células de flujo de las que se están obteniendo imágenes activamente. Por tanto, el material de soporte sobre el que se disponen en matrices los polinucleótidos puede estar constituido por una "matriz" de células de flujo direccionables individualmente. Como el área de obtención de imágenes se mueve alrededor del chip, así se inyectan los nucleótidos sólo en la(s) célula(s) de flujo en el área de obtención de imágenes.
En otra realización, se detecta la unión de la polimerasa mediante una transferencia de energía por resonancia entre una molécula intercalante y un colorante/agente extintor en la polimerasa. El colorante intercalante (por ejemplo, CYBRGreen, sondas moleculares) sólo fluorescerá cuando se une al complejo de molde-cebador bicatenario. Entonces puede usarse esta señal para identificar la ubicación del polinucleótido diana. La polimerasa se modifica con un colorante que es una molécula "aceptora" que puede absorber y volver a emitir la energía procedente del colorante intercalante. Como alternativa, el "marcador" puede ser un agente extintor. Por tanto, puede controlarse el acontecimiento de unión/interacción observando el cambio en la señal debido a la transferencia de energía.
Puede usarse el procedimiento de la invención para identificar la secuencia completa del polinucleótido diana o puede usarse para identificar la secuencia de una parte del polinucleótido. El procedimiento es adecuado para determinar la presencia de mutaciones dentro de la diana, por ejemplo determinar si se ha producido una sustitución, deleción o adición, en comparación con una secuencia de referencia o control.
En una realización preferida, puede usarse el procedimiento para identificar un polimorfismo de un solo nucleótido en una muestra genética. El término "polimorfismo" tal como se usa en el presente documento se refiere a la aparición de dos o más secuencias genómicas o alelos alternativos entre o sobre distintos genomas o sujetos. Un polimorfismo de un solo nucleótido (SNP) es un cambio de un solo par de bases. Normalmente, un SNP es la sustitución de un nucleótido por otro nucleótido en el sitio polimórfico. La deleción de un solo nucleótido, o la inserción de un solo nucleótido, también da origen a polimorfismos de un solo nucleótido.
Se usa el procedimiento para determinar la identidad del/de los nucleótido(s) en el supuesto sitio de mutación y entonces puede compararse la información con una secuencia de referencia para revelar si está presente una mutación.
El siguiente ejemplo ilustra la invención.
Ejemplo
En este experimento, se produjo una proteína de fusión de proteína verde fluorescente (GFP) y una polimerasa mediante técnicas recombinantes bien conocidas en la técnica.
Se recubrieron por centrifugación pastillas de cuarzo (14 mm de diámetro, 0,3 mm espesor) con una capa de dextrano plano modificado con estreptavidina inmovilizada (Xantec, Alemania). Un microscopio vertical (135TV, Zeiss) equipado con iluminación por reflexión interna total (TIR) sirvió como plataforma para el experimento. Se polarizó circularmente un haz láser de valor máximo a 488 nm (Melles Griot) con una potencia de 100 mW mediante placas de cuarto de onda para someterse a TIR en un prisma hecho a medida. El prisma se acopló ópticamente a la pastilla mediante gel de adaptación del índice. Entonces se ensambló una célula de flujo con una junta tórica y un eje óptico transparente sobre el prisma y la pastilla de cuarzo. Un objetivo recogió la señal de fluorescencia a través de la superficie superior transparente de la célula de flujo. Las imágenes se desplazaron mediante un filtro de paso de banda en un dispositivo de carga acoplada con adelgazamiento posterior (Andor technologies).
Se sintetizaron dos oligonucleótidos usando la química de la fosforamidita convencional. El oligonucleótido definido como SEQ ID NO. se usó como el polinucleótido diana, y el oligonucleótido definido como SEQ ID NO.2 se biotiniló y se usó como cebador. Se depositaron los cebadores biotinilados (SEQ ID No.2) sobre la pastilla recubierta con estreptavidina mediante inyección en la célula de flujo de 10 pM de SEQ ID NO.2 en tampón Tris que contenía MgCl_{2} 100 mM y se dejó incubar durante 10 minutos.
100
Se purgó con tampón de flujo la célula de flujo a una velocidad de 500 \mul/min. Entonces se inyectó la secuencia complementaria, SEQ ID NO.1 en la célula de flujo a una concentración de 1 \muM, a una velocidad de flujo de 5 \mul/min. Durante esta inyección, se calentó la célula hasta 70ºC durante varios minutos mediante un electrodo de calentamiento de platino dentro de la célula de flujo y se dejó enfriar hasta 25ºC. Entonce se continuó con la inyección durante otros diez minutos. Una vez que se completó la inyección, se purgó con el tampón de flujo de manera continua a través del sistema a una velocidad de flujo de 500 \mul/min. Tras 10 minutos, se inició la reacción de secuenciación mediante la inyección de dATP 0,4 mM (8 \mul) en el tampón a una velocidad de flujo de 500 \mul/min. Un segundo tras el comienzo de la inyección, se registraron una serie de imágenes CCD a la velocidad de trama máxima (30 tramas por segundo) y se guardó la imagen que contenía la mayor intensidad de señal. Entonces se inyectó el nucleótido complementario dCTP a 0,4 mM en las otras imágenes CCD guardadas un segundo tras la inyección.
El nucleótido complementario proporcionó una señal intensa (figura 1a) en comparación con el nucleótido no complementario (figura 1b) cuando se obtuvieron imágenes de una manera "con resolución temporal".

Claims (13)

1. Un procedimiento para identificar la secuencia de un polinucleótido diana, que comprende:
(i)
poner en contacto el polinucleótido diana con una enzima polimerasa y uno de los nucleótidos A, T (U), G y C en condiciones adecuadas para que avance la reacción de la polimerasa;
(ii)
medir el tiempo que tarda la polimerasa en unirse a y posteriormente disociarse del polinucleótido diana, para determinar así si la polimerasa ha incorporado el nucleótido en el polinucleótido diana;
(iii)
opcionalmente repetir las etapas (i) y (ii) con otros nucleótidos, para identificar así la secuencia del polinucleótido diana.
2. Un procedimiento para la identificación de una mutación en un polinucleótido diana, que comprende las etapas de:
(i)
poner en contacto el polinucleótido diana con una enzima polimerasa y uno de los nucleótidos A, T (U), G y C en condiciones adecuadas para que avance la reacción de la polimerasa;
(ii)
medir el tiempo que tarda la polimerasa en unirse a y posteriormente disociarse del polinucleótido diana, para identificar así si la polimerasa ha incorporado el nucleótido en el polinucleótido diana, y con referencia a la secuencia nativa de la diana, determinar si existe una mutación.
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que las etapas (i)-(ii) se llevan a cabo con cada uno de los diferentes nucleótidos sucesivamente, hasta que se detecta la incorporación.
4. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que el polinucleótido diana está inmovilizado sobre un material de soporte.
5. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que una pluralidad de polinucleótidos diana están inmovilizados sobre un material de soporte.
6. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa ii) se lleva a cabo midiendo la radiación aplicada.
7. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que la etapa (ii) se lleva a cabo midiendo la dispersión Raman.
8. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la etapa (ii) se lleva a cabo aplicando una onda electromagnética superficial.
9. Un procedimiento según cualquier reivindicación 8, en el que la onda electromagnética superficial es una onda de plasmón superficial.
10. Un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la detección se lleva a cabo mediante la medición de una onda electromagnética superficial.
11. Un procedimiento según cualquier reivindicación anterior, en el que la polimerasa comprende un marcador detectable fijado a la misma.
12. Un procedimiento según la reivindicación 11, en el que el marcador es un fluoróforo.
13. Un procedimiento según la reivindicación 11 cuando depende de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que la polimerasa comprende además un marcador dador de energía o un marcador aceptor de energía, y en el que la etapa (ii) se lleva a cabo midiendo la transferencia de energía entre el fluoróforo y el dador o aceptor de energía.
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