WO2004058393A2 - Verfahren zum validierten aufbau von arrays - Google Patents

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WO2004058393A2
WO2004058393A2 PCT/EP2003/014826 EP0314826W WO2004058393A2 WO 2004058393 A2 WO2004058393 A2 WO 2004058393A2 EP 0314826 W EP0314826 W EP 0314826W WO 2004058393 A2 WO2004058393 A2 WO 2004058393A2
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    • Y02P20/55—Design of synthesis routes, e.g. reducing the use of auxiliary or protecting groups

Definitions

  • the present invention relates to a method for validating the synthesis of arrays, in particular of biopolymers, by step-by-step construction from protected and labeled synthesis building blocks.
  • the receptors (probes) of an array are immobilized by covalent or non-covalent interaction or synthesized in situ on the solid phase.
  • the building blocks of a chemical polymerization process are generally referred to as "synthons".
  • the functional groups of one synthon allow a targeted chemical reaction with suitable other functional groups on a second synthon.
  • these reactive centers are masked by so-called protective groups, which can be removed in a suitable chemical environment, which makes it possible to control the synthesis process, since only those functional groups that do not have a protective group are implemented.
  • protective groups can generally be changed by changing chemical or physicochemical environmental parameters, such as the redox potential, the pH or the temperature, but also by introducing electromagnetic energy, e.g. be removed by irradiation with light of a certain wavelength.
  • oligomers such as oligonucleotides, oligonucleotide derivatives, peptides or carbohydrates, which are made up of different but finally many monomer units
  • the sequential polymerization introduced by Merryfield by condensation on a solid phase has proven itself (RB Merryfield (1 963),. At the. Chem. Soc. 85: 2149-21 54; RB Merryfield (1 965) Science 1 50: 1 79-1 85).
  • the Merryfield synthesis begins with a carrier-bound functional group that can carry a protective group and can be activated by its removal.
  • the products of a conventional solid phase-supported (bio) polymer synthesis are broken down by breaking a predetermined breaking point, e.g. by hydrolysis of an oxalate or succinate, separated from the solid phase and are thus the known analytical methods, such as NMR, HPLC, CE, MS, phosphor imager etc. accessible.
  • the cleavage products are 3'-fluorescent labeled. In this way, conclusions can be drawn about the coupling efficiency [US 6,238,862 B1, J.
  • a further possibility for quality control is to condense additional cleavable phosphoramidites labeled with phosphate groups at the 5 'ends. The signal from the reporter group then becomes
  • the process for the production of assembled chemical surfaces which is described in WO 01/36086, has the task of introducing functional groups in situ, that is during the functionalization process, and to provide a surface of specific chemical or physicochemical properties adapted to the later application process.
  • inverse synthons these are nucleosides which have a phosphoramidite on their 5'-hydroxy functions and a protective group on their 3'-hydroxy functions, e.g. DMT or Nppoc, it is possible to carry out chemical oligonucleotide synthesis in the natural 5 ' ⁇ 3' direction.
  • the changed orientation on the array surface opens up another area of application for DNA / RNA microarrays. Among other things, it enables the enzymatic chain extension by polymerases [WO 00/61 594; WO 01/55451; M. C. Pirrung, Org. Lett. 2001, 3.5, 1 105-1 108].
  • the photo-protecting groups hitherto used for light-controlled synthesis are usually the protective groups NVOC (SPA Fodor et al., Science 251 (1 991), 767 ff.), MeNPOC (AC Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sei . 91 (1 994), 5022 ff.), DMBOC (MC Pirrung, J. Chem. 60 (1 995), 1 1 16 ff.) And NPPOC (A. Hassan et al., Tetrahedron 53 (1 997), 4247 ff.).
  • NVOC SPA Fodor et al., Science 251 (1 991), 767 ff.
  • MeNPOC AC Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sei . 91 (1 994), 5022 ff.
  • DMBOC MC Pirrung, J. Chem. 60 (1 995), 1 1 16 ff.
  • NPPOC A. Hassan et
  • the photolabile protective groups currently used for the light-controlled synthesis of nucleic acids are generally characterized by a comparatively low absorption coefficient at the wavelength of the light radiation.
  • the photolabile nucleoside derivatives are usually irradiated with mercury high-pressure lamps at a wavelength of 365 nm. The lower one
  • the absorption coefficient of the photolabile protective group used at this wavelength means that only a very small proportion of the incident light can be used to excite the molecules.
  • the photolabile protective groups used are mostly colorless derivatives.
  • a further development of the photolithographic process is the use of fluorescent photolabile protective groups.
  • the benzylic photolabile protective groups use molecules of the type ArCR ⁇ -OC ⁇ X, where Ar is a condensed aromatic, e.g. Pyrene and R ⁇ substituted aromatics can be.
  • the fluorescence of the Pymoc group is used to estimate the functionalization density [WO 98/39348].
  • Another approach is the labeling of nitrobenzyl derivatives [C. Muller et al, He / v. Chim Acta 2001, 84, 3735-3740].
  • the fluorescence signals of the coumarin can be used for quality control.
  • DNA synthesis is based on tandem protective groups.
  • This type of protective group is obtained by combining two protective groups established for nucleotide chemistry, for example a photolabile Nppoc (2- [2-nitrophenyl] propyloxycarbonyl chloride) and an acid-labile dimethoxytrityl group, and the derivatives derived therefrom (DE 101 32 025.6, DE 102 60 591 .2 and PCT EP 02/07389).
  • Trityl compounds serve strictly as a protective group with unusual ones
  • the detection limits of the trityl-containing nucleotides and oligonucleotides in HPLC or DC can be reduced by incorporating pyrene into the trityl framework.
  • This compound corresponds to the type: P m -C *, where P m is a protective group P which can carry a label m, for example a fluorescent dye, and C * is a functional group to be protected which corresponds to the 5'-hydroxy group of a nucleoside [JL Fourrey et al. Tetrahedron Lett, 1987, 28, 51 57].
  • Patent US 5,410,068 describes a similar approach to reversibly modify biological compounds for detection, separation and purification. Fluorescent-labeled trityl groups of the type MLPC * are described. M is a label that is used to recognize the molecule, L is a spacer, P is a trityl protecting group and C * is the functional group of a biomolecule.
  • M is a label that is used to recognize the molecule
  • L is a spacer
  • P is a trityl protecting group
  • C * is the functional group of a biomolecule.
  • the problem with the array-supported polymer synthesis of sometimes complex substance libraries is that the synthesis is carried out first and then afterwards one learns whether the synthesis was successful. To make matters worse, the surfaces of the arrays created in situ can sometimes be difficult to access. This can significantly affect quality control using standard surface analysis methods. For economic reasons, it would therefore be desirable to have a process that enables an early quality statement, even during processing.
  • One object underlying the present invention was to develop a method for producing solid-phase-bound arrays, which allows improved quality control compared to the methods of the prior art.
  • the present invention relates to a method in which the quality of the array surface is checked, but preferably not influenced , and one or more or all of the following steps of a biopolymer synthesis can be followed online, ie one or more steps, for example the first, the nth, the 2nth, penultimate or / and last etc. step, can be used to increase the efficiency the linker and probe synthesis are checked.
  • the synthesis process according to the invention comprises the introduction of one or more synthon building blocks with at least one detectable labeling group into the linker element and the introduction of one or more synthon building blocks with at least one detectable labeling group into the probe element of the receptor.
  • a single marked synthon building block or several marked synton building blocks e.g. two, three, four etc. marked syntonic blocks can be used.
  • all synthon building blocks for the synthesis of the linker element and / or the probe element can contain at least one detectable labeling group.
  • the first and third steps in the construction of the linker element and / or the probe element are carried out with a labeled synthon building block. Steps without the use of labeled synthon building blocks can be carried out in a conventional manner.
  • biopolymers e.g. nucleic acids such as DNA or RNA, nucleic acid analogues such as PNA or LNA, oligonucleotides (regardless of the direction of synthesis), saccharides, carbohydrates, peptides, proteins and other mixed forms , but also integrate derivatives from combinatorial chemistry.
  • the biopolymers can be synthesized in any direction, for example in 5 ' ⁇ 3' or / and in 3 ' ⁇ 5' direction for nucleic acids.
  • optical methods such as absorption, emission / light diffraction, light scattering or ellipsometry, but also other methods such as radioactivity, plasmon resonance or electronic methods such as electron diffraction or electrical signals, etc. can be used for the analysis.
  • the analytical methods that can be integrated into a system for the synthesis of arrays or biochip supports according to WO 00/1 301 8 are particularly preferred.
  • synthon building blocks can be used which contain several marker groups which can be detected next to one another.
  • marking groups can be used for introduction into the linker element, which can be detected in addition to the marking groups for introduction into the probe element.
  • the synthesis of the linker element and the synthesis of the probe element according to the present invention preferably each comprise a number of steps, the respective elements being built up from a number of synthon units.
  • the linker element is constructed from one or more non-functional synthon building blocks that are different from the functional synthon building blocks for the probe element.
  • Preferred examples of linker synthons are alkyl radicals, oligoethylene glycol radicals or combinations of alkyl and aryl radicals.
  • the linker molecules synthesized on the carrier contain functional groups which enable the coupling of further linker synthon building blocks or - after the linker synthesis has ended - of probes or probe building blocks.
  • the functional groups of the linker molecules can be selected, for example, from -OR, -NR 2 , -SR, -PO 3 R 2 , -CN, -SCN, -COR ' and -OCOR ' , where RH is a protective group and R 'is H or a protecting group or -OR, -NR 2 or -SR.
  • Farther R and R ' can represent alkyl, aryl, alkenyl and / or allyl radicals and / or other useful organic radicals.
  • oligonucleotide After linker synthesis has been completed, the coupling of probes takes place, which is likewise carried out by step-by-step synthesis from synthesis building blocks, depending on the synthesis strategy used, e.g. Peptide, oligonucleotide or carbohydrate synthesis can be carried out on the solid phase or by site-specific and / or site-specific immobilization of complete probes.
  • Particularly preferred building blocks for oligonucleotide synthesis are phosphoramidites.
  • the carrier can in principle be chosen arbitrarily, e.g. from particles, in particular magnetic particles, microtiter plates and microfluidic carriers (such as fluidic microprocessors) and can have a surface selected from glass, metals, semimetals, metal oxides or plastic.
  • the microparticles disclosed in PCT / EP 99/0631 5 and the supports disclosed in PCT / EP 99/0631 6 and PCT / EP 99/0631 7 with planar surfaces or with microchannels (cross section, for example 10-1000 ⁇ m) are particularly preferred .
  • the synthesis of the receptor molecules can take place on the entire surface of the support or in a site-specific manner at selected reaction sites.
  • Detectable marker groups are used in at least one of the synthon building blocks for introduction into the linker element and at least one of the synthon building blocks for introduction into the probe element.
  • all synthon building blocks for the synthesis of the linker element or the probe element can contain at least one detectable labeling group.
  • Detectable marker groups can be cleaved off during or / and after the synthesis of the linker element or the probe element. Different marker groups can be split off at different times during the process.
  • connection is preferably used in the process relevant to the invention.
  • Compounds of the following group I (types l-VII) can be used in particular for the surface control for the installation in the linker element:
  • Type III P m -LV (L'-HL "-M) -L '" - C *
  • Type IV P m 'P m -LV (L'-HL "-M) -L'" - C *
  • Type V MLP m 'P m -LV (L'-HL "-M) -L'" - C *
  • Type VII MLP m 'P m -C> *
  • P m denotes a protective group P which can carry a label m for detection, the labels M or / and m optionally being linked to P via a linker, and the protective group and labels being compatible with synthetic chemistry.
  • P ' is a protective group orthogonal to P m , which can carry a label m' for detection.
  • M, m and m 'are markings that can be used for detection.
  • the markings are expediently also compatible with synthetic chemistry.
  • L to L '"mean any spacer for example organic groups such as alkylene groups, which may optionally contain heteroatoms such as O, N, P and S.
  • H represents a fissile group, e.g. an ester, disulfide, sulfone or diol group.
  • V represents a trifunctional molecule / atom, such as a nucleoside, trihydroxyalkyl or dihydroxyaminoalkyl.
  • C * means a functional group or a functionalized carrier surface, in particular a linker component.
  • the compounds of types II to VII usually contain several labeling groups, M, m or / and m '. However, those compounds are also recorded which carry only one marker group, ie the protective group P m , for example, does not have to contain a marker group in the compounds, provided the compound contains at least one other marker group, for example M.
  • Type I P m -C *
  • Type II MLP m -C *
  • Type VII -LP m 'P m -C *
  • Type VIII P m -LH-L'-C *
  • Type IX pm m_
  • Type X MLP m 'P m -LHL "-C *
  • P m denotes a protective group (P) which can carry a label (m) for detection, the label M (m) optionally being linked to (P) via a linker, and the protective group and label being compatible with synthetic chemistry.
  • P m ' is a protective group orthogonal to P m , which carries a label (nrT) for detection.
  • P m can be a protective group which can be removed photochemically by exposure and P m 'can be a protective group which can be removed by chemical methods, for example acid or base treatment.
  • M, m and m 'are markings that can be used for detection.
  • the markings are expediently also compatible with synthetic chemistry.
  • L to L "mean any spacer, e.g. organic groups such as alkylene groups, which may optionally contain heteroatoms such as O, N, P and S.
  • H denotes a cleavable group, for example an ester, disulfide, sulfone or diol group.
  • C * means a probe component, for example a nucleotide, a nucleotide analog, an amino acid, an amino acid analog etc.
  • the compounds of types II and VI to X contain one or more labeling groups, ie the protective group P m or / and P m ' need not contain a labeling group if the compound contains at least one other labeling group.
  • a preferred embodiment is as follows: First, a labeled synthon is condensed onto the functionality of the support surface. After the fluorescence determination, the labels are either split off at the next deprotection step, in the sense of a step-by-step biopolymer synthesis, or removed at the end of the synthesis, so that they cannot falsify the detection signal of the hybridization.
  • the compound types are compounds that can make several quality assurance methods accessible at the same time: Homogeneity testing is carried out using the M or M label, which can be detected independently of one another, e.g. two fluorescent dyes or fluorescence in combination with radioactive labeling, wherein m and M, which are part of the p , p m , P m and MLP 'P m groups, are split off before the next coupling step.
  • the labeling groups can, if appropriate, for example in the case of compounds of types III and / or IV, also be removed at a later point in time, for example in the event of the final deblocking. All marking groups are expediently removed until final unblocking, so that their signal cannot interact with the measurement signal on the carrier.
  • Type I P m -C * triplet-sensitized Nppoc
  • Type II MLP m -C * fluorescence-labeled protective group (Coumarin Nppoc)
  • Type VI p ⁇ vpm_p # fluorescence-labeled tandem group (Pyren Nppoc)
  • Type VII MLP m 'P m -C fluorescent labeled tandem group
  • Type VIII P m -LH-L'-C (Nppoc or DMT succinate derivatives)
  • Type IX pm'P m -LH-L'C fluorescent labeled tandem group
  • TypeX ML-P'P m -LHL "-C * fluorescence markers
  • the methods of conventional quality control for polymer synthesis can essentially be transferred to the products from the array synthesis, taking into account the three-dimensional structure of arrays and in particular by using molecules of type VIII-X, provided that the functionalization process of the surface provides a sufficiently high density of functionalization.
  • the invention further relates to compounds of the general structure (XI):
  • M is a polycyclic aryl or heteroaryl group
  • A-, and A 2 are each independently selected from H, O, OR, NHR or NR 2 , wherein R is a C, -C 20 hydrocarbon group, optionally one or more heteroatoms can carry, for example an alkyl, aryl, aralkyl or alkaryl group and C * is a functional group, for example a linker or probe synthon building block.
  • the group M is preferably an aryl or heteroaryl group with at least 3 or 4 fused rings, for example a pyrene group.
  • M is preferably a fluorescent labeling group, for example a coumarin, a pyrene, Cy5, Cy3, a rhodamine or a fluorescent nanoparticle. If necessary, M can be connected to the basic structure via a spacer.
  • At least one of the radicals A and A 2 is NHR or NR 2 .
  • At least one of A. and A 2 is particularly preferably a dialkylamino group, the alkyl radicals having 1 to 20 C atoms.
  • the invention further relates to compounds of the general structure (XII):
  • M ' is a labeling group
  • Y is a bond or a spacer with a chain length of up to 20 C atoms and optionally one or more heteroatoms
  • A, and A 2 are each independently selected from H, O, OR, NHR or NR 2 , wherein R is a C, -C 20 hydrocarbon group which may optionally carry one or more heteroatoms, for example an alkyl, aryl, aralkyl or alkaryl group and C * is a functional group, for example a linker or probe synthon building block
  • M ' is preferably a fluorescent labeling group, for example a coumarin group ....
  • At least one of the radicals A and A 2 is NHR or NR 2 , particularly preferred are A- or / and A 2 is a dialkylamino group, where an alkyl radical can contain up to 20 carbon atoms.
  • Y preferably represents a non-photolabile structure, i.e. the group M 'cannot be split off from the basic structure of the compound by exposure.
  • the compounds (XI) and (XII) represent preferred examples of syntonic building blocks for use in a method as described above.
  • FIG. 1 An exemplary embodiment of a photolabile protective group, which can be used, for example, as group P m in compounds of type I, is shown in FIG. 1. It is an intramolecular triplet-sensitized o-nitrophenylethyl photoprotecting group that bears a pyrene residue.
  • Other suitable groups of this type are described, for example, in DE 1 02 60 592.0.
  • Figure 2 shows connections of the type MLP m -C * , which can be used for connections of type II, for example.
  • Pm is one optionally substituted trityl group to which a label M is optionally coupled via a linker.
  • Figures 3 to 12 show examples of compounds of type III (P m -LV (L'-HL "-M) -L"'- C *) and their synthesis. These are trifunctional molecules, which provide functionality for polymer synthesis, one for a label M and one for anchoring to the solid phase. The second functionality between the label and the trifunctional molecule has a labile bond.
  • the following protective groups or types of protective groups are suitable for P m : DMT, Nppoc, a two-stage, a fluorescent two-stage or a fluorescence-labeled two-stage protective group.
  • Figure 13 shows a compound of type VI (P m 'P m -C * ), which is a fluorescent two-stage protective group.
  • Figure 14 shows a compound of type VII (MLP m, P m -C * ), which is also a fluorescence-labeled two-stage protective group.
  • P m is the trityl group which is linked to a coumarin group (M) via a linker.
  • NppoC groups P '
  • Figure 15 shows a compound of type IX (P m 'P m -LH-L'-C * ). It is a fluorescent two-stage protective group and a spacer which is interrupted by a predetermined breaking point H (OCO-CH 2 -CH 2 -CO-O).

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Validierung der Synthese von Arrays, insbesondere von Biopolymeren, durch schrittweisen Aufbau aus geschützten und markierten Synthesebausteinen.

Description

Verfahren zum validierten Aufbau von Arrays
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Validierung der Synthese von Arrays, insbesondere von Biopolymeren, durch schrittweisen Aufbau aus geschützten und markierten Synthesebausteinen.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden die Rezeptoren (Sonden) eines Arrays durch kovalente oder nicht-kovalente Wechselwirkung immobilisiert oder in situ auf der festen Phase synthetisiert. Die Bausteine eines chemischen Polymerisationsprozesses werden generell als "Synthone" bezeichnet. Die funktionellen Gruppen eines Synthons erlauben eine zielgerichtete chemische Reaktion mit geeigneten anderen funktioneilen Gruppen an einem zweiten Synthon. In aller Regel sind diese reaktiven Zentren durch sogenannte Schutzgruppen maskiert, die in einer geeigneten chemischen Umgebung gezielt entfernt werden können, wodurch eine Steuerung des Syntheseprozesses möglich wird, da nur solche funktionellen Gruppen umgesetzt werden, die keine Schutzgruppe tragen. Abhängig von der jeweiligen Synthesestrategie können Schutzgruppen im Allgemeinen durch eine Änderung chemischer oder physikochemischer Umgebungsparameter, wie dem Redoxpotential, dem pH-Wert oder der Temperatur, aber auch durch den Eintrag elektromagnetischer Energie, z.B. durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge, entfernt werden.
Für die sequenzspezifische Synthese von Oligomeren, wie Oligonukleotiden, Oligonukleotidderivaten, Peptiden oder Kohlenhydraten, die aus unterschiedlichen, jedoch endlich vielen Monomereinheiten aufgebaut sind, hat sich die von Merryfield eingeführte, sequenzielle Polymerisation durch Kondensation an einer festen Phase bewährt (R. B. Merryfield (1 963), . Am. Chem. Soc. 85: 2149-21 54; R. B. Merryfield ( 1 965) Science 1 50: 1 79-1 85). Die Synthese nach Merryfield beginnt an einer trägergebundenen funktionellen Gruppe, die eine Schutzgruppe tragen kann und sich durch deren Entfernung aktivieren lässt. Dadurch wird die Kopplung eines in Lösung zugeführten, nächsten Monomers gestattet, dass nach erfolgter Polymerisation durch Kondensation seinerseits als Ausgangspunkt für einen weiteren Polymerisationsschritt zur Verfügung steht. Die sukzessive Wiederholung von Aktivierung und nachfolgender Polymerisation durch Kondensation führt schließlich zur Synthese des gewünschten Oligomeren.
Die Produkte einer konventionellen festphasengestützten (Bio-) Polymersynthese werden durch Spaltung einer Sollbruchstelle, z.B. durch Hydrolyse eines Oxalats oder Succinats, von der festen Phase abgetrennt und sind damit den bekannten Analysemethoden, wie z.B. NMR, HPLC, CE, MS, Phosphorimager etc., zugänglich. Durch Kombination eines spaltbaren Spaceramidits (Sollbruchstelle = Ester, Sulfone etc.) und eines fluoreszierenden verzweigten Phosphoramidits lässt sich die oben beschriebene Strategie im Sinne eines Baukastenansatzes auch auf Arrays übertragen. Die Spaltprodukte sind 3'-fluoreszensmarkiert. Auf diese Weise kann man Rückschlüsse auf die Kopplungseffizienz ziehen [US 6,238,862 B1 , J. Burmeister, A. Azzawi, G. v. Kiedrowski, Tethedron Lett. 1995, 3667-68]. Das gleiche Ergebnis wird erzielt, wenn ein trifunktionelles Molekül eingesetzt wird, welches eine Funktionalität für die Polymersynthese, eine für eine Markierung und eine zum Verankern auf der festen Phase bereitstellt. Die dritte Funktionalität besitzt darüber hinaus auch noch eine labile Bindung [US 5,290,925].
Eine weitere Möglichkeit zur Qualitätskontrolle besteht darin, zusätzliche spaltbare phosphatgruppenmarkierte Phosphoramidite an die 5'-Enden zu kondensieren. Das Signal der Reportergruppe wird dann zur
Qualitätskontrolle der Synthese herangezogen. Nach Abspaltung der Reportergruppe erhält man 5'-phosphorylierte Sonden [Beier, WO 00/1 5837].
Das Verfahren zur Herstellung konfektionierter chemischer Oberflächen, welches in WO 01 /36086 beschrieben ist, hat zur Aufgabe funktionelle Gruppen in situ, also während des Funktionalisierungsprozesses einzuführen, und dem späteren Anwendungsprozess angepasst eine Oberfläche spezifischer chemischer bzw. physikochemischer Eigenschaften bereitzustellen.
Andere Verfahren verwenden "Starbursf-Dendrimere um die Anzahl an Reaktionsorten zu erhöhen, wodurch es schließlich zu einer Erhöhung der Dichte an funktionellen Gruppen auf der Oberfläche und mittelbar zu einer Verbesserung des Detektionssignals (M. Beier, J. D. Hoheisel ( 1 999) Nucleic Acids Res. 27: 970- 1 977) kommt oder bessere Signal-Rauschverhältnisse erzielt werden (Niemeyer et al. (2000), Chembiochem. 2:685-694).
Durch Verwendung sogenannter inverser Synthone, hierbei handelt es sich um Nukleoside, die an ihren 5'-Hydroxyfunktionen eine Phosphoramidit- und an ihren 3'-Hydroxyfunktionen eine Schutzgruppe, z.B. DMT oder Nppoc, tragen, wird es möglich die chemische Oligonukleotidsynthese in der natürlichen 5'→3' Richtung durchzuführen. Durch die geänderte Orientierung auf der Array-Oberfläche wird ein weiteres Anwendungsgebiet für DNA/RNA Microarrays erschlossen. Es ermöglicht u.a. die enzymatische Kettenverlängerung durch Polymerasen [WO 00/61 594; WO 01 /55451 ; M. C.Pirrung, Org. Lett. 2001 , 3,5, 1 105-1 108].
Für eine in situ Array-Synthese ist eine ortsspezifische Deprotektion einzelner Schutzgruppen zwingend notwendig. Eine Möglichkeit zur ortsaufgelösten Synthese nutzt den Prozess der Photolithographie und soll am Beispiel der DNA-Synthese erläutert werden: Bei der lichtgesteuerten Synthese von Nukleinsäure-Chips finden fotolabile Nukleosid-Derivate Verwendung. Hierbei findet der Kettenaufbau der Nukleinsäure-Fragmente üblicherweise mittels Phosphoramidit-Synthonen statt. Die Bausteine tragen jeweils eine temporäre Fotoschutzgruppe, die durch Lichteinstrahlung entfernt werden kann. Das Syntheseprinzip sieht eine zyklische Abfolge von Kondensations- und Deprotektions-Schritten (durch Licht) vor. Die Effizienz, mit der eine solche lichtgesteuerte Synthese erfolgen kann, wird im Wesentlichen durch die verwendeten fotolabilen Schutzgruppen, insbesondere durch die Effizienz, mit der diese im Bestrahlungsschritt entfernt werden können, bestimmt.
Bei den bislang zur lichtgesteuerten Synthese verwendeten Fotoschutzgruppen handelt es sich üblicherweise um die Schutzgruppen NVOC (S. P. A. Fodor et al., Science 251 ( 1 991 ), 767 ff.), MeNPOC (A. C. Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sei. 91 ( 1 994), 5022 ff.), DMBOC (M. C. Pirrung, J. Chem. 60 (1 995), 1 1 16 ff.) und NPPOC (A. Hassan et al., Tetrahedron 53 ( 1 997), 4247 ff.). Weitere bekannte fotolabile Schutzgruppen in der Nukleosid- bzw. Nukleotidchemie sind o-Nitrobenzyl-Gruppen und ihre Derivate (vgl. z.B. Pillai, Org. Photochem. 9 ( 1 987), 225; Walker et al., J. Am. Chem.Soc. 1 10 (1 988), 71 70). Als weitere fotolabile Schutzgruppen wurden die 2-(o-Nitrophenyl)ethyl-Gruppe (Pfleiderer et al., In: "Biosphosphates and their Analogues - Synthesis, Structure, Metabolism and Activity", ELSEVIER Science Publishers B.V. Amsterdam (1 987), 1 33 ff.) sowie Derivate davon (WO 97/4434, WO 96/1 8634, WO 02/201 50) vorgeschlagen.
Die gegenwärtig für die lichtgesteuerte Synthese von Nukleinsäuren verwendeten fotolabilen Schutzgruppen (z.B. NVOC, MeNPOC, NPPOC) zeichnen sich im Allgemeinen durch einen vergleichsweise niedrigen Absorptionskoeffizienten bei der Wellenlänge der Lichteinstrahlung aus. Die Bestrahlung der fotolabilen Nukleosid-Derivate erfolgt üblicherweise mit Hg-Hochdrucklampen bei einer Wellenlänge von 365 nm. Der niedrige Absorptionskoeffizient der verwendeten fotolabilen Schutzgruppe bei dieser Wellenlänge hat zur Folge, dass nur ein sehr geringer Anteil des eingestrahlten Lichts zur Anregung der Moleküle verwertet werden kann. Des Weiteren handelt es sich bei den verwendeten fotolabilen Schutzgruppen zumeist um farblose Derivate. Dies wiederum hat zur Folge, dass es während der Synthese nicht möglich ist, mit einfachen spektroskopischen Methoden zu detektieren, ob die fotolabile Schutzgruppe sich noch am Nukleosid-Derivat befindet oder bereits teilweise oder vollständig durch den Lichteintrag abstrahiert worden ist. Es lässt sich somit der Vorgang der Abstraktion nur schwer oder gar nicht verfolgen.
Eine Weiterentwicklung des photolithographischen Prozesses stellt die Verwendung fluoreszierender fotolabiler Schutzgruppen dar. Bei den benzylischen photolabilen Schutzgruppen werden Moleküle des Typs ArCR^-OC^X verwendet, wobei Ar ein kondensierter Aromat, z.B. Pyren und R^ substituierte Aromaten sein können. Die Fluoreszenz der Pymoc-Gruppe wird zur Abschätzung der Funktionalisierungsdichte herangezogen [WO 98/39348]. Eine andere Vorgehensweise stellt die Markierung von Nitrobenzylderivaten dar [C. Muller et al, He/v. Chim Acta 2001 , 84, 3735-3740]. Die Fluoreszenzsignale des Coumarins lassen sich zur Qualitätskontrolle heranziehen.
Eine Alternative zur Photolithographie stellt die DNA-Synthese dar, die auf Tandemschutzgruppen basiert. Man erhält diesen Schutzgruppentyp durch Kombination zweier für die Nukleotidchemie etablierter Schutzgruppen, z.B. einer photolabilen Nppoc- (2-[2-Nitrophenyl]-propyloxycarbonylchlorid) und einer säurelabilen Dimethoxytritylgruppe, und den sich daraus ableitenden Derivaten (DE 101 32 025.6, DE 102 60 591 .2 und PCT EP 02/07389). Durch die Abspaltung des farbigen Tritylkations der zweistufigen S c h u t z g r u p p e n , w e l c h e s e i n e n w e s e n t l i c h h ö h e r e n Absorptionskoeffizienten besitzt als die Abspaltungsprodukte bei anderen Fotoentschützungsprozessen auf Benzyl- bzw. Nitrobenzylbasis, eröffnet sich weiterhin die Möglichkeit zur direkten online Prozesskontrolle. Dies führt zu einer Verbesserung bei der Qualitätskontrolle für Biochips.
Das Bestreben, die Eigenschaften der Tritylschutzgruppe zu beeinflussen, hat eine lange Tradition [A. Taunton-Rigby et al., J. Org. Chem. 1972, 37,
956-964]. Einige Arbeitsgruppen haben den hydrophoben Charakter für die
Reinigung anhand der RP-Chromatographie verstärkt [R. Ramage et al.
Tetrahedron Lett. 34 ( 1 993) 71 33; H. Seliger et al., Angew. Chem. 1981 ,
93, 709], andere haben die exocyclischen Gruppen so variiert, dass sich die Abspaltungsbedingungen umkehrten (basenlabile Trityle) [M. Sekine et al., Bull. Chem. Soc. Jpn. 1985, 58, 336; M. Sekine et al., J. Am. Soc.
1986, 108, 4581 ] oder sich unter besonders schonenden Bedingungen, z.B. Hydrazinolyse von 4-(9-Fluorenenylmethoxyoxycarbonyl)oxy- bzw. amino-4',4"-dimethoxytriyl, abspalten ließen [E. Happ et al., Nucleosides and Nucleotides 1988, 7, 81 3-81 6.]. Die fluorenmarkierten
Tritylverbindungen dienen streng als Schutzgruppe mit unüblichen
Labilitätseigenschaften.
Weiterhin können die Nachweisgrenzen der tritylhaltigen Nukleotide und Oligonucleotide bei HPLC oder DC, durch Pyreneinbau in das Tritylgerüst, herabgesetzt werden. Diese Verbindung entspricht dem Typ: Pm-C*, wobei Pm eine Schutzgruppe P ist, die eine Markierung m, z.B. einen Fluoreszenzfarbstoff, tragen kann und C* eine zu schützende funktionelle Gruppe ist, die der 5'-Hydroxygruppe eines Nucleosids entspricht [J. L. Fourrey et al. Tetrahedron Lett , 1987, 28, 51 57].
Das Patent US 5,410,068 beschreibt einen ähnlichen Ansatz, um biologische Verbindungen für die Erkennung, Trennung und Reinigung umkehrbar zu modifizieren. Es werden fluoreszenzmarkierte Tritylgruppen des Typs M-L-P-C* beschrieben. M ist eine Markierung, die zur Erkennung des Moleküls herangezogen wird, L ist ein Spacer, P eine Tritylschutzgruppe und C* die funktioneile Gruppe eines Biomoleküls. Bei der arraygestüzten Polymersynthese von zum Teil komplexen Substanzbibliotheken, steht man in der Regel vor dem Problem, dass erst die Synthese durchgeführt wird und dann im Nachhinein erfährt man, ob die Synthese erfolgreich verlaufen ist. Erschwerend kommt hinzu, dass die Oberflächen der in situ erzeugen Arrays mitunter schwer zugänglich sein können. Dies kann die Qualitätskontrolle durch Standard- Oberflächenanalysemethoden erheblich beeinträchtigen . Aus wirtschaftlichen Gründen wäre es daher wünschenswert, ein Verfahren zu besitzen, das eine frühzeitige Qualitätsaussage, noch während der Prozessierung, ermöglicht.
Eine der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe bestand darin, ein Verfahren zur Herstellung von festphasengebundenen Arrays zu entwickeln, welches eine verbesserte Qualitätskontrolle gegenüber den Verfahren des Standes der Technik erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Trägers, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellen eines Trägers, der an seiner Oberfläche reaktive Gruppen aufweist,
(b) Aufbauen einer funktionalisierten Oberfläche auf dem Träger durch schrittweise Synthese eines Rezeptors, umfassend ein Linker- und ein Sondenelement aus Synthonbausteinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Syntheseprozess (i) durch Einführung von einem oder mehreren Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Linkerelement und (ii) durch Einführung von einem oder mehreren Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Sondenelement des Rezeptors überwacht wird.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, bei dem die Qualität der Arrayoberfläche überprüft, vorzugsweise aber nicht beeinflusst wird, und ein oder mehrere oder alle folgenden Schritte einer Biopolymersynthese online verfolgt werden können, d.h. zur Effizienzerhöhung können ein oder mehrere Schritte, z.B. der erste, der n-te, der 2n-te, vorletzte oder/und letzte etc. Schritt, bei der Linker- und Sondensynthese überprüft werden.
Der erfindungsgemäße Syntheseprozess umfasst die Einführung von einem oder mehreren Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Linkerelement und die Einführung von einem oder mehrere Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Sondenelement des Rezeptors. Dabei kann beispielsweise beim Aufbau des Linker- oder/und des Sondenelements jeweils ein einziger markierter Synthonbaustein oder mehrere markierte Syntonbausteine, z.B. zwei, drei, vier etc. markierte Syntonbausteine, verwendet werden. Gegebenenfalls können sämtliche Synthonbausteine für die Synthese des Linkerelements oder/und des Sondenelements mindestens eine nachweisbare Markierungsgruppe enthalten. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden der erste und der dritte Schritt beim Aufbau des Linkerelements oder/und des Sondenelements mit einem markierten Synthonbaustein durchgeführt. Schritte ohne Verwendung markierter Synthonbausteine können auf konventionelle Weise durchgeführt werden.
Neben der Funktionalisierungsdichte, die mit der späteren Sondendichte direkt korreliert, ist eine gleichförmige Verteilung der funktionellen Gruppen von entscheidender Bedeutung. Für die Beurteilung der Homogenität lässt sich eine Vielzahl von Markierungen in die Synthesen der Biopolymere, z.B. Nukleinsäuren, wie DNA oder RNA, Nukleinsäureanaloga, wie PNA oder LNA, Oligonukleotide (unabhängig von der Syntheserichtung), Saccharide, Kohlenhydrate, Peptide, Proteine sowie weitere Mischformen, aber auch Derivaten aus der kombinatorischen Chemie, integrieren. Die Synthese der Biopolymere kann in beliebiger Richtung erfolgen, z.B. in 5'→3'- oder/und in 3'→5'-Richtung für Nukleinsäuren. Zur Analyse können dementsprechend optische Methoden, wie Absorption, Emission/ Lichtbeugung, Lichtstreuung oder Ellipsometrie, aber auch andere Methoden, wie Radioaktivität, Plasmonenresonanz oder elektronische Methoden, wie Elektronenbeugung oder elektrische Signale etc. , herangezogen werden. Die Analysenmethoden, die sich in ein System zur Synthese von Arrays bzw. Biochip-Trägern gemäß WO 00/1 301 8 integrieren lassen, sind dabei besonders bevorzugt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können Synthonbausteine verwendet werden, die mehrere nebeneinander nachweisbare Markierungsgruppen enthalten. So können zur Einführung in das Linkerelement Markierungsgruppen verwendet werden, die neben den Markierungsgruppen zur Einführung in das Sondenelement nachweisbar sind.
Die Synthese des Linkerelements und die Synthese des Sondenelements gemäß vorliegender Erfindung umfasst vorzugsweise jeweils mehrere Schritte, wobei die jeweiligen Elemente aus mehreren Synthonbausteinen aufgebaut werden. Das Linkerelement wird aus einem oder mehreren nichtfunktionellen Synthonbausteinen aufgebaut, die verschieden von den funktionellen Synthonbausteinen für das Sondenelement sind. Bevorzugte Beispiele für Linkersynthone sind Alkylreste, Oligoethylenglycolreste oder Kombinationen aus Alkyl- und Arylresten.
Die auf dem Träger synthetisierten Linkermoleküle enthalten funktionelle Gruppen, die die Kopplung weiterer Linker-Synthon-Bausteine oder - nach Beendigung der Linkersynthese - von Sonden oder Sonden-Bausteinen ermöglicht. Die funktionellen Gruppen der Linkermoleküle können beispielsweise ausgewählt werden aus -OR, -NR2, -SR, -PO3R2, -CN, -SCN, -COR ' und -OCOR ', worin R H oder eine Schutzgruppe bedeutet und R' H oder eine Schutzgruppe oder -OR, -NR2 oder -SR bedeutet. Weiterhin können R und R' für Alkyl, Aryl, Alkenyl und/oder Allylreste und/oder weitere nützliche organische Reste stehen.
Nach beendeter Linkersynthese erfolgt die Kopplung von Sonden, die ebenfalls durch schrittweise Synthese aus Synthese-Bausteinen je nach verwendeter Synthesestrategie, z.B. Peptid-, Oligonukleotid- oder Kohlenhydratsynthese an der Festphase oder durch ortsspezifische und/oder nichtortsspezifische Immobilisierung von kompletten Sonden erfolgen kann . Besonders bevorzugte Bausteine für die Oligonukleotidsynthese sind Phosphoramidite.
Der Träger kann grundsätzlich beliebig ausgewählt werden, z.B. aus Partikeln, insbesondere magnetischen Partikeln, Mikrotiterplatten und mikrofluidischen Trägern (wie z.B. fluidischen Mikroprozessoren) und kann eine Oberfläche ausgewählt aus Glas, Metallen, Halbmetallen, Metalloxiden oder Kunststoff aufweisen. Besonders bevorzugt sind die in PCT/EP 99/0631 5 offenbarten Mikropartikel und die in PCT/EP 99/0631 6 und PCT/EP 99/0631 7 offenbarten Träger mit planaren bzw. mit Mikrokanälen (Querschnitt z.B. 10-1000 μm) versehenen Oberflächen. Auf die Offenbarung der genannten Dokumente wird ausdrücklich Bezug genommen.
Die Synthese der Rezeptormoleküle kann auf der gesamten Oberfläche des Trägers oder aber ortsspezifisch an ausgewählten Reaktionsorten stattfinden.
Bei mindestens einem der Synthonbausteine zur Einführung in das Linkerelement und mindestens einen der Synthonbausteine zur Einführung in das Sondenelement verwendet man nachweisbare Markierungsgruppen. Gegebenenfalls können sämtliche Synthonbausteine für die Synthese des Linkerelements bzw. des Sondenelements mindestens eine nachweisbare Markierungsgruppe enthalten. Die Abspaltung nachweisbarer Markierungsgruppen kann während oder/und nach der Synthese des Linkerelements bzw. des Sondenelements erfolgen. Unterschiedliche Markierungsgruppen können zu unterschiedlichen Zeitpunkten des Verfahrens abgespalten werden.
Folgende Verbindungstypen kommen vorzugsweise im erfindungsrelevanten Verfahren zum Einsatz. Bei der Oberflächenkontrolle für den Einbau in das Linkerelement können insbesondere Verbindungen der folgenden Gruppe I (Typen l-VII) herangezogen werden:
Typ I: Pm-C*
Typ II: M-L-Pm-C*
Typ III: Pm-L-V (L'-H-L"-M)-L'"-C*
Typ IV: Pm'Pm-L-V(L'-H-L"-M)-L'"-C* Typ V: M-L-Pm'Pm-L-V(L'-H-L"-M)-L'"-C*
Typ VI: pm m_c*
Typ VII: M-L-Pm'Pm-C >*
Pm bedeutet eine Schutzgruppe P, die eine Markierung m zur Detektion tragen kann, wobei die Markierungen M oder/und m gegebenenfalls über einen Linker mit P gebunden sind, und die Schutzgruppe und Markierungen kompatibel zur Synthesechemie sind.
P ' ist eine zu Pm orthogonale Schutzgruppe, die eine Markierung m' zur Detektion tragen kann. Die Schutzgruppe Pm' kann unter Bedingungen selektiv abgespalten werden, bei denen die Schutzgruppe P stabil ist. Beispielsweise kann Pm' eine photochemisch durch Belichtung abspaltbare Schutzgruppe und Pm eine durch chemische Methoden, z.B. Säure- oder Basebehandlung, abspaltbare Schutzgruppe sein.
M, m und m' sind Markierungen, die zur Detektion herangezogen werden können. Dabei sind M, m und gegebenenfalls m' unabhängig detektierbar. Sie können gegebenenfalls auch unabhängig abspaltbar sein, z.B. bei den Verbindungen der Typen III, IV oder VI. Die Markierungen sind zweckmäßigerweise auch kompatibel zur Synthesechemie.
L bis L'" bedeuten beliebige Spacer, z.B. organische Gruppen, wie etwa Alkylengruppen, die gegebenenfalls Heteroatome, wie O, N, P und S, enthalten können.
H bedeutet eine spaltbare Gruppe, z.B. eine Ester-, Disulfid-, Sulfon- oder Diolgruppe.
V bedeutet ein trifunktionelles Molekül/Atom, wie etwa ein Nukleosid, Trihydroxyalkyl oder Dihydroxyaminoalkyl.
C* bedeutet eine funktioneile Gruppe oder eine funktionalisierte Trägeroberfläche, insbesondere einen Linkerbaustein.
Die Verbindungen der Typen II bis VII enthalten üblicherweise mehrere Markierungsgruppen, M, m oder/und m'. Es werden jedoch auch solche Verbindungen erfasst, die nur eine Markierungsgruppe tragen, d.h. in den Verbindungen muss beispielsweise die Schutzgruppe Pm keine Markierungsgrupe enthalten, sofern die Verbindung mindestens eine andere Markierungsgruppe, z.B. M, enthält.
Von den Verbindungen der Gruppe I sind Verbindungen der Typen I oder/und II besonders bevorzugt.
Bei der Sondenkontrolle für den Einbau in das Sondenelement können insbesondere Verbindungen der folgenden Gruppe II (Typen I, II und Vl-X) herangezogen werden:
Typ I: Pm-C* Typ II: M-L-Pm-C*
Typ VI: pm'pm_ *
Typ VII: -L-Pm'Pm-C*
Typ VIII: Pm-L-H-L'-C*
Typ IX: pm m_|_.|_j_L C *
Typ X: M-L-Pm'Pm-L-H-L"-C*
Pm bedeutet eine Schutzgruppe (P), die eine Markierung (m) zur Detektion tragen kann, wobei die Markierung M (m) gegebenenfalls über einen Linker mit (P) gebunden ist, und die Schutzgruppe und Markierung kompatibel zur Synthesechemie sind.
Pm' ist eine zu Pm orthogonale Schutzgruppe, die eine Markierung (nrT) zur Detektion trägt. Die Schutzgruppe Pm' kann unter Bedingungen selektiv abgespalten werden, bei denen die Schutzgruppe Pm stabil ist. Beispielsweise kann Pm eine photochemisch durch Belichtung abspaltbare Schutzgruppe und Pm' eine durch chemische Methoden, z.B. Säure- oder Basebehandlung, abspaltbare Schutzgruppe sein.
M, m und m' sind Markierungen, die zur Detektion herangezogen werden können. Dabei sind M, m und gegebenenfalls m' unabhängig detektierbar. Sie können auch unabhängig abspaltbar sein. Die Markierungen sind zweckmäßigerweise auch kompatibel zur Synthesechemie.
L bis L" bedeuten beliebige Spacer, z.B. organische Gruppen, wie etwa Alkylengruppen, die gegebenenfalls Heteroatome, wie O, N, P und S, enthalten können.
H bedeutet eine spaltbare Gruppe, z.B. eine Ester-, Disulfid-, Sulfon- oder Diolgruppe. C* bedeutet einen Sondenbaustein, z.B. ein Nukleotid, ein Nukleotidanalog, eine Aminosäure, ein Aminosäureanalog etc.
Die Verbindungen der Typen II und VI bis X enthalten eine oder mehrere Markierungsgruppen, d.h. die Schutzgruppe Pm oder/und Pm' muss keine Markierungsgruppe enthalten, sofern die Verbindung mindestens eine andere Markierungsgruppe enthält.
Von den Verbindungen der Gruppe II sind die Typen I oder/und II besonders bevorzugt.
Um das erfindungsgemäße Verfahren zu erläutern, sollen die einzelnen Typen an allgemeinen Beispielen aus der Phosphoramiditchemie und später an konkreten Ausführungsformen veranschaulicht werden. Die beschriebenen Verbindungen sind so markiert, dass anhand der Emission ihrer ein bis drei Fluoreszenzmarkierungen, und zum Teil anhand ihrer Absorption, eine Qualitätsbeurteilung möglich ist. Selbstverständlich lassen sich die Ausführungen auch auf andere Synthesestrategien oder/und Markierungsgruppen übertragen.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist wie folgt: Zunächst wird ein markiertes Synthon an die Funktionalität der Trägeroberfläche kondensiert. Nach der Fluoreszenzbestimmung werden die Markierungen entweder beim nächsten Deprotektionsschritt, im Sinne einer schrittweisen Biopolymersynthese, abgespalten, oder am Ende der Synthese entfernt, so dass sie das Detektionssignal der Hybridisierung nicht verfälschen können.
Im Falle von tritylhaltigen Schutzgruppen bzw. von markierten Photoschutzgruppen kommt eine Zweitanalytik, die spektroskopische Analyse der farbigen Tritylkationen bzw. der nun farbigen (im Vergleich zu den Abspaltungsprodukten der konventionelle Photoschutzgruppen) bzw. eventuell fluoreszierenden Abspaltungsprodukte des Photoentschützungsprozesses, zum Tragen. Die gewonnenen Daten werden mit einem Bewertungskriterium verglichen und nach einer positiven Beurteilung weiter prozessiert.
Bei den Verbindungstypen, z.B. Phosphoramiditen lll-V, handelt es sich um Verbindungen die mehrere Qualitätssicherungsmethoden gleichzeitig zugänglich machen können: Homogenitätsprüfung erfolgt durch Markierung M bzw. m, die unabhängig voneinander nachweisbar sein können, z.B. zwei Fluoreszenzfarbstoffe oder Fluoreszenz in Kombination mit radioaktiver Markierung, wobei m und M, die Teil der p ,pm-, Pm- und M-L-P 'Pm-Gruppen sind, vor dem nächsten Kopplungsschritt abgespalten werden. Die Markierungsgruppen können gegebenenfalls, z.B. bei Verbindungen der Typen III und/oder IV, auch zu einem späteren Zeitpunkt, z.B. bei der finalen Deblockierung, entfernt werden. Zweckmäßigerweise werden alle Markierungsgruppen bis zur finalen Deblockierung entfernt, so dass ihr Signal nicht mit dem Messsignal auf dem Träger in Wechselwirkung treten kann.
Baut man die Ausgangsgruppen der p 'Pm, p und M-L-P^P™ Abspaltungsprodukte, die eine spektroskopische online Prozesskontrolle ermöglichen, in Nukleosidphosphoramidite ein, so erhält man die Verbindungen, die für eine Sondenqualitätskontrolle herangezogen werden können.
Folgende bevorzugte Beispiele für die einzelnen Typen von Verbindungen kommen in Frage:
Typ I: Pm-C* Triplett-sensibilisiertes Nppoc
Typ II: M-L-Pm-C* Fluoreszenzmarkierte Schutzgruppe (Coumarin Nppoc)
Typ VI: pπvpm_p # Fluoreszenzmarkierte Tandemgruppe (Pyren Nppoc) Typ VII: M-L-Pm'Pm-C Fluoreszenzmarkierte Tandemgruppe
(Coumarin Nppoc)
Typ VIII: Pm-L-H-L'-C (Nppoc- oder DMT Succinatderivate)
Typ IX: pm'Pm-L-H-L'C Fluoreszenzmarkierte Tandemgruppe
(Pyren Nppoc)-Succinat
TypX: M-L-P'Pm-L-H-L"-C* f l u o resze n z m a r k i e rte
Tandemgruppe
Die Methoden der konventionellen Qualitätskontrolle für Polymersynthesen (CE, HPLC, MS etc.) lassen sich im Wesentlichen unter Berücksichtigung des dreidimensionalen Aufbaus von Arrays und insbesondere durch Verwendung von Molekülen des Typs Vlll-X auf die Produkte aus der Array synthese übertragen, vorausgesetzt, dass der Funktionalisierungsprozess der Oberfläche eine hinreicheichend hohe Funktionalisierungsdichte liefert.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verbindungen der allgemeinen Struktur (XI):
Figure imgf000017_0001
worin M eine polycyclische Aryl- oder Heteroarylgruppe ist, A-, und A2 jeweils unabhängig ausgewählt sind aus H, O, OR, NHR oder NR2, worin R eine C,-C20-Kohlenwasserstoffgruppe ist, die gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome tragen kann, z.B. eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Alkarylgruppe und C* eine funktioneile Gruppe, z.B. ein Linker- oder Sondensynthonbaustein, ist. Die Gruppe M ist vorzugsweise eine Aryl- oder Heteroarylgruppe mit mindestens 3 oder 4 kondensierten Ringen, z.B. eine Pyrengruppe. Weiterhin ist M vorzugsweise eine fluoreszierende Markierungsgruppe, z.B. ein Coumarin, ein Pyren, Cy5, Cy3, ein Rhodamin oder ein fluoreszierendes Nanopartikel. Gegebenenfalls kann M über einen Spacer mit dem Grundgerüst verbunden sein.
Vorzugsweise ist mindestens einer der Reste A, und A2 NHR oder NR2. Besonders bevorzugt ist mindestens einer von A., und A2 eine Dialkylaminogruppe, wobei die Alkylreste 1 bis 20 C-Atome aufweisen. Verbindungen (XI), bei denen A-, oder/und A2 eine NHR oder NR2-Gruppe ist, zeigen überraschenderweise eine höhere Hydrolyselabilität und somit eine bessere Abspaltbarkeit sowie eine höhere Farbintensität.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung sind Verbindungen der allgemeinen Struktur (XII):
Figure imgf000018_0001
worin M' eine Markierungsgruppe ist, Y eine Bindung oder ein Spacer mit einer Kettenlänge von bis zu 20 C-Atomen und gegebenenfalls einen oder mehreren Heteroatomen ist, A, und A2 jeweils unabhängig ausgewählt sind aus H, O, OR, NHR oder NR2, worin R eine C,-C20-Kohlenwasserstoffruppe ist, die gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome tragen kann, z.B. eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Alkarylgruppe und C* eine funktionelle Gruppe, z.B. ein Linker- oder Sondensynthonbaustein, ist. Vorzugsweise ist M' eine fluoreszierende Markierungsgruppe, z.B. eine Coumaringruppe ... .
Mindestens einer der Reste A, und A2 ist NHR oder NR2, besonders bevorzugt sind A-, oder/und A2 eine Dialkylaminogruppe, wobei ein Alkylrest bis zu 20 C-Atome enthalten kann.
Bei den Verbindungen (XII) stellt Y vorzugsweise eine nicht-photolabilie Struktur dar, d.h. die Gruppe M' kann nicht durch Belichtung vom Grundgerüst der Verbindung abgespalten werden.
Die Verbindungen (XI) und (XII) stellen bevorzugte Beispiele für Syntonbausteine zur Verwendung in einem Verfahren, wie zuvor beschrieben, dar.
Ausführungsbeispiele
Ein Ausführungsbeispiel für eine photolabile Schutzgruppe, die z.B. als Gruppe Pm in Verbindungen des Typs I eingesetzt werden kann, ist in Abbildung 1 gezeigt. Es handelt sich um eine intramolekular triplettsensibilisierte o-Nitrophenylethyl-Photoschutzgruppe, die einen Pyrenrest trägt. Weitere geeignete Gruppen diese Typs sind z.B. in DE 1 02 60 592.0 beschrieben.
Abbildung 2 zeigt Verbindungen des Typs M-L-Pm-C*, die z.B. für Verbindungen des Typs II eingesetzt werden können. Pm ist eine gegebenenfalls substituierte Tritylgruppe, an die eine Markierung M gegebenenfalls über einen Linker gekoppelt ist.
Die Abbildungen 3 bis 12 zeigen Beispiele für Verbindungen des Typs III (Pm-L-V (L'-H-L"-M)-L"'-C*) und deren Synthese. Hierbei handelt es sich um trifunktionelle Moleküle, welche eine Funktionalität für die Polymersynthese, eine für eine Markierung M und eine zum Verankern auf der festen Phase bereit stellen. Die zweite Funktionalität zwischen Markierung und trifunktionellem Moleküle besitzt eine labile Bindung. Für Pm kommen folgende Schutzgruppen bzw. Schutzgruppentypen in Frage: DMT-, Nppoc-, eine zweistufige, eine fluoreszierende zweistufige bzw. eine fluoreszenzmarkierte zweistufige Schutzgruppe.
Abbildung 13 zeigt eine Verbindung des Typs VI (Pm'Pm-C*), bei der es sich um eine fluoreszierende zweistufige Schutzgruppe handelt.
In Abbildung 14 ist eine Verbindung des Typs VII (M-L-Pm,Pm-C*) gezeigt, bei des sich ebenfalls um eine fluoreszenzmarkierte zweistufige Schutzgruppe handelt. Pm ist die Tritylgruppe, die über einen Linker mit einer Coumaringruppe (M) gekoppelt ist. Weiterhin sind photoaktivierbare NppoC-Gruppen (P ') an der Tritylgruppe vorhanden.
Abbildung 15 zeigt eine Verbindung des Typs IX (Pm'Pm-L-H-L'-C*). Es handelt sich um eine fluoreszierende zweistufige Schutzgruppe und einen Spacer, der durch eine Sollbruchstelle H(OCO-CH2-CH2-CO-O) unterbrochen ist.

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Trägers, umfassend die Schritte:
Bereitstellen eines Trägers, der an seiner Oberfläche reaktive Gruppen aufweist,
Aufbauen einer funktionalisierten Oberfläche auf dem Träger durch schrittweise Synthese eines Rezeptors, umfassend ein
Linker- und ein Sondenelement aus Synthonbausteinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Syntheseprozess (i) durch Einführung von einem oder mehreren Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Linkerelement und (ii) durch Einführung von einem oder mehreren Synthonbausteinen mit mindestens einer nachweisbaren Markierungsgruppe in das Sondenelement des Rezeptors überwacht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man Synthonbausteine verwendet, die eine Markierungsgruppe enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man Synthonbausteine verwendet, die mehrere nebeneinander nachweisbare Markierungsgruppen enthalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Markierungsgruppen zur Einführung in das Linkerelement neben Markierungsgruppen zur Einführung in das Sondenelement nachweisbar sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass einer, zwei, drei oder sämtliche Synthonbausteine für die Synthese des Linkerelements mindestens eine nachweisbare
Markierungsgruppe enthalten.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass einer, zwei, drei oder sämtliche Synthonbausteine für die
Synthese des Sondenelements mindestens eine nachweisbare Markierungsgruppe enthalten.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Syntheseprozess online überwacht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sondenelemente des Rezeptors ausgewählt werden aus
Nukleinsäuren (in beliebigen Syntheserichtungen), wie DNA oder RNA, Nukleinsäureanaloga, wie PNA oder LNA, Kohlenhydraten, Peptiden, Derivaten der kombinatorischen Chemie und Kombinationen davon.
. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung eine optische Messung umfasst.
0. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Messung eine Bestimmung von Absorption, Emission, Lichtbeugung, Lichtstreuung oder Ellipsometrie umfasst.
1 . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung eine Messung von Radioaktivität umfasst.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung eine Messung von Plasmonenresonanz umfasst.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung eine elektronische Messung umfasst.
4. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Messung eine Bestimmung von
Elektronenbeugung oder elektrischen Signalen umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man den Aufbau des Trägers in einer integrierten Synthese/
Analyse-Vorrichtung durchführt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen trifunktionellen Synthonbaustein zum Aufbau des Linkers oder/und der Sonde verwendet.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Synthonbaustein für den Einbau in das Linkerelement ausgewählt aus einer der Verbindungen (Typen I bis VII) verwendet:
Typ I: Pm-C*
Typ II: M-L-Pm-C*
Typ IM: Pm-L-V (L'-H-L"-M)-L'"-C*
Typ IV: Pm'Pm-L-V(L'-H-L"-M)-L'"-C* Typ V: M-L-Pm'Pm-L-V(L'-H-L"-M)-L'"-C*
Typ VI: pm'Pm-C*
Typ VII: M-L-Pm'Pm-C* worin
P eine Schutzgruppe P bedeutet, die eine Markierung m zur Detektion tragen kann, wobei die Schutzgruppe und
Markierung kompatibel zur Synthesechemie sind, pm' eine zu Pm orthogonale Schutzgruppe P bedeutet, die eine
Markierung m' zur Detektion tragen kann, wobei M eine Markierung bedeutet, die zur Detektion herangezogen werden kann, wobei m, M und gegebenenfalls m' unabhängig detektierbar sind, und wobei die Markierungen kompatibel zur Synthesechemie sind, L-L'" beliebige Spacer bedeuten, z.B. organische Gruppen, H eine spaltbare Gruppe bedeutet, V ein trifunktionelles Molekül/Atom bedeutet und
C* eine funktioneile Gruppe oder eine funktionalisierte Trägeroberfläche bedeutet.
1 8. Verfahren nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens eine der Verbindungen der Typen (I) oder/und (II) verwendet.
1 9. Verfahren nach Anspruch 1 7 oder 1 8, dadurch gekennzeichnet, dass C* einen Linkerbaustein bedeutet.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Synthonbaustein für den Einbau in das Sondenelement ausgewählt aus einer der Verbindungen der Typen (I, II oder VI bis X) verwendet: Typ I: Pm-C*
Typ II: M-L-Pm-C*
Typ VI: p""pπι_c*
Typ VII: M-L-Pm'Pm-C*
Typ VIII: Pm-L-H-L'-C* Typ IX: Pm'Pm-L-H-L'C*
Typ X: M-L-Pm'Pm-L-H-L"-C* worin
Pm eine Schutzgruppe P bedeutet, die eine Markierung m zur Detektion tragen kann, wobei die Schutzgruppe und Markierung kompatibel zur Synthesechemie sind,
P ' eine zu Pm orthogonale Schutzgruppe P ist, die eine Markierung m' zur Detektion tragen kann, wobei die Schutzgruppe und die Markierung kompatibel zur Synthesechemie sind, M eine Markierung bedeutet, die zur Detektion herangezogen werden kann, wobei m, M und gegebenenfalls m' unabhängig detektierbar sind, und wobei die Markierungen kompatibel zur
Synthesechemie sind, L-L" beliebige Spacer bedeuten, H eine spaltbare Gruppe bedeutet und
C* einen Sondenbaustein bedeutet.
21 . Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens eine der Verbindungen der Typen (I) oder/und (II) verwendet.
22. Verbindungen der allgemeinen Struktur (XI):
Figure imgf000026_0001
worin
M eine polycyclische Aryl- oder Heteroarylgruppe ist,
A-, und A2 jeweils unabhängig ausgewählt sind aus H, O, OR, NHR oder NR2, worin R eine CT-C^-Kohlenwasserstoffruppe ist, die gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome tragen kann, z.B. eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Alkarylgruppe und
C* eine funktionelle Gruppe ist.
23. Verbindungen nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass M eine Aryl- oder Heteroarylgruppe mit mindestens 3 oder 4 kondensierten Ringen ist.
24. Verbindungen nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass M eine Pyrengruppe, ... ist.
25. Verbindungen nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer von A., und A2 NHR oder NR2 ist.
26. Verbindungen der allgemeinen Struktur (XII):
Figure imgf000027_0001
worin
M' eine Markierungsgruppe ist,
Y eine Bindung oder ein Spacer mit einer
Kettenlänge von bis zu 20 C-Atomen und gegebenenfalls ein oder mehreren Heteroatomen ist, A, und A2 jeweils unabhängig ausgewählt sind aus H, O, OR, NHR oder NR2, worin R eine CT-C^-Kohlenwasserstoffruppe ist, die gegebenenfalls ein oder mehrere Heteroatome tragen kann, z.B. eine Alkyl-, Aryl-, Aralkyl- oder Alkarylgruppe und
C* eine funktionelle Gruppe ist.
27. Verbindungen nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass M' eine fluoreszierende Markierungsgruppe ist.
28. Verbindungen nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass M' Coumarin, Fluorescein, Pyren, Cy5, Cy3, Rhodamin oder ein Nanopartikel ist.
29. Verbindungen nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer von A., und A2 NHR oder NR2 ist.
30. Verbindungen nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass Y eine nicht-photolabile Struktur umfasst.
31 . Verwendung von Verbindungen nach einem der Ansprüche 22 bis 30 als Synthonbausteine in einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 .
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