WO2013091614A1 - Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridisation occurrences - Google Patents

Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridisation occurrences Download PDF

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WO2013091614A1
WO2013091614A1 PCT/DE2012/100295 DE2012100295W WO2013091614A1 WO 2013091614 A1 WO2013091614 A1 WO 2013091614A1 DE 2012100295 W DE2012100295 W DE 2012100295W WO 2013091614 A1 WO2013091614 A1 WO 2013091614A1
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nucleic acid
signal
acid oligomers
probe
complementary
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PCT/DE2012/100295
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Gerhard Hartwich
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Friz Biochem Gesellschaft Für Bioanalytik Mbh
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    • C12Q1/68Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
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    • C12Q1/6837Enzymatic or biochemical coupling of nucleic acids to a solid phase using probe arrays or probe chips
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12Q1/6844Nucleic acid amplification reactions
    • C12Q1/686Polymerase chain reaction [PCR]

Definitions

  • the present invention relates to a method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events.
  • nucleic acids In disease diagnosis, microbiological diagnostics, toxicological testing, genetic research and development, as well as in the agricultural and pharmaceutical sectors, the direct detection of very small amounts of nucleic acids has become indispensable. Increasingly, detection techniques using array technology using so-called DNA chips have become available which enable surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer hybridization events. With the help of this sensitive method, nucleic acids can be detected with a very low detection limit. Often, however, prior to the actual detection, a DNA amplification step is necessary in which the DNA molecules to be detected are amplified so that they are ultimately present in a concentration which is above the detection limit of the selected detection method.
  • PCR is such a basic method for molecular biology, which essentially serves the duplication of DNA molecules and allows the rapid, sensitive direct detection of minute amounts of DNA or RNA. In recent years, this method has conquered the laboratories, as their application is very broad and complex.
  • the PCR has in almost all areas of the Science and medicine, including forensic medicine, prenatal diagnostics, oncology and last but not least in microbiological diagnostics. For example, PCR in the field of clinical diagnostics is usually the method of choice for z. B. detect pathogens. It is also used in the food industry as a detection method for harmful germs.
  • the PCR is an enzymatic reaction for the amplification of nucleic acid molecules, which essentially takes place in an aqueous or liquid reaction mixture with very small volumes.
  • the reaction mixture contains a nucleic acid-containing sample and the primers, nucleotides and a polymerase which are also necessary for the reaction.
  • buffers and preferably bivalent ions such as B. Mg 2+ , the reaction mixture is adjusted so that prevail for the respective application optimum reaction conditions.
  • the polymerase chain reaction is based on a recurring cycle of three steps occurring at different temperatures, namely denaturation, hybridization and extension.
  • the reaction mixture is heated to a temperature greater than 90 ° C, preferably 94 ⁇ C to 95 ⁇ .
  • a temperature greater than 90 ° C preferably 94 ⁇ C to 95 ⁇ .
  • the temperature is lowered to a so-called “annealing temperature”.
  • the primers combine with the DNA, they hybridize.
  • the polymerases anneal and begin to elongate by attaching additional complementary nucleotides to the 3'-OH end of the primer to synthesize a counterstrand.
  • Each repetition of the above three steps doubles the number of copied ones DNA molecules. After 20 cycles, about one million molecules are formed from a single DNA double strand.
  • the number of cycles can be selected according to the type of application, the nature of the sample and the specific requirements and reaction conditions. Likewise, the setting of the time intervals for the individual steps can be adapted to the requirements of specific types of applications.
  • sequence-independent and sequence-specific detection methods are known.
  • sequence-independent detection methods for example, an intercalating fluorescent dye is used, which stores sequence-independently in double-stranded DNA. By amplifying a DNA, the total amount of DNA increases, the fluorescence signal increases.
  • sequence-specific detection methods very specific targets or gene segments are to be detected and quantified in a single assay.
  • oligonucleotide probes are used which bind to the amplified target DNA.
  • the detection can be performed via a so-called FRET principle (fluorescence resonance energy transfer principle).
  • FRET principle fluorescence resonance energy transfer principle
  • two specific oligonucleotide probes which can bind directly adjacent in the target used.
  • Each oligonucleotide probe is labeled with a different fluorescent dye, wherein one of the dyes, after excitation with light by its emitted photons again stimulates the second dye if this is in sufficient proximity.
  • the emission light of this second dye is detected by a suitable device.
  • the increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
  • a specific fluorescence-labeled probe is additionally equipped with a fluorescence quencher that is sufficiently close to the fluorophore that the probe does not fluoresce because of the quenching process.
  • the quencher With proper design of the probe, due to hybridization of the probe to the target, the quencher is spatially removed from the fluorophore, quenching is prevented, and fluorescence emission occurs.
  • the quencher can also be cut off in probes bound to the target by means of a suitable exonuclease activity of a polymerase in the PCR approach. Again, the increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
  • probe oligonucleotides As an alternative to fluorescence-dependent detection methods, a library of known DNA sequences (“probe oligonucleotides”) is fixed in an ordered grid for gene analysis by means of an already mentioned detection method via array technologies on a chip, for example on a surface, so that the position of each individual DNA Sequence is known. If fragments of active genes (“target oligonucleotides”) whose sequences are complementary to specific probe oligonucleotides on the chip exist in the assay solution, then the target oligonucleotides can be identified by detection of the corresponding hybridization events on the chip. Methods for surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer hybridization events are well known.
  • WO 2003/018834 A2 describes a displacement assay for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events.
  • the association events are evidenced by the change in the electrochemical properties of the probe molecules associated with the association.
  • WO 201 1/069501 A1 combines the high sensitivity of a surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer
  • Hybridization events with a preceding amplification of the target nucleic acid oligomers by a PCR As a result, the limit for the detection of the target nucleic acid oligomers originally present in the sample can be shifted to very small concentrations.
  • a disadvantage of this method has been found that the displacement of the signal nucleic acid oligomers hybridized to the probe nucleic acid oligomers by the target nucleic acid oligomers causes a decrease in the signal intensity.
  • the detection of target nucleic acid oligomers thus takes place on the basis of a maximum detection signal by a subsequent decrease in the signal intensity.
  • Nucleic acid At least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine).
  • the term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, to a peptide backbone of the PNA or to analogous structures (eg, phosphoramid , Thio-phosphate or dithio-phosphate backbone).
  • An essential feature of a nucleic acid is that it naturally occurring cDNA or RNA can bind sequence-specific.
  • Oligonucleotide Ol equivalent to nucleic acid oligomer, e.g. a DNA,
  • nucleotide Sequence Complementary in a Nucleic Acid Oligomer
  • the two single strands hybridize, the nucleotide sequence of one strand being complementary to the nucleotide sequence of the other strand, so that the base A (or C) of the one strand with the base T (or G) of the other strand forms hydrogen bonds (in RNA, T is replaced by uracil).
  • the two single strands hybridize such that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in RNA, T is replaced by uracil ). Any other base pairing within the hybrid does not form hydrogen bonds, distorts the structure, and is referred to as a "mismatch.”
  • redox-active Designates the property of a unit under certain external circumstances to donate electrons to a suitable oxidant or to take up electrons from a suitable reducing agent.
  • linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl chain, the chain being derivatized in two places with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partner.
  • the reactive groups may also be photoactivatable, ie the reactive groups are activated only by light of specific or arbitrary wavelength.
  • Nonspecific nt, ie, nt complementary to other bases can also be used as linker / spacer, in particular in the case of the attachment of probe oligos to a surface.
  • the present invention provides a method of detecting nucleic acid oligomer hybridization events, comprising the steps of a) providing a modified surface, wherein the modification consists in the attachment of at least one type of probe nucleic acid oligomers, the probe nucleic acid oligomers forming a first signal pin Have a section of signal nucleic acid oligomers complementary probe pin section,
  • the signal nucleic acid oligomers have a first signal pin section which is complementary to the probe pin section of the probe nucleic acid oligomers
  • the signal nucleic acid oligomers have a signal recognition section that is complementary to a target recognition section of target nucleic acid oligomers
  • the signal nucleic acid oligomers have a first and a second signal pin section complementary to one another to form a hairpin structure, the hairpin structure having a melting temperature T P , N , the first signal pin section is not complementary to the target nucleic acid oligomers, and
  • the signal nucleic acid oligomers in the region of the first signal pin section are modified with at least one redox-active detection label
  • reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution contains at least nucleotides, at least one type of primer and at least one type of nucleic acid polymerase with exonuclease activity,
  • step e) mixing the reaction solution provided in step d) with the signal nucleic acid oligomers provided in step b) and the sample provided in step c) with target nucleic acid oligomers,
  • step h comparing the different values obtained in step h).
  • hairpin is used in the context of the present invention for a DANN secondary structure in which a hairpin structure is formed by intramolecular base pairings.
  • a hairpin consists of a double-stranded section, which in the present case is also referred to as a "double helix section” or “pin” or “star”, and of a single-stranded loop section, which in the present case is also referred to as a "loop”.
  • first and second signal pin sections The hairpin complementary sections of the signal nucleic acid oligomer forming the hairpin double-stranded pin are referred to in the present invention as "first and second signal pin sections.”
  • probe pin section describes a portion complementary to the first signal pin portion on the probe nucleic acid oligomer.
  • sequence sections arranged within the hairpin structure is understood to mean that the sequence sections in the loop region of the hairpin and thus-in relation to the single strand-are complementary between the two to form a hairpin structure Signal pin sections of the corresponding single strand are arranged.
  • signal recognition portion refers to a portion of the signal nucleic acid oligomer complementary to a portion of the target nucleic acid oligomer and denotes a sequence portion in the signal nucleic acid oligomer which, for example, has a specific sequence portion due to its complementary structure
  • target recognition section the corresponding section of the target nucleic acid oligomer which is recognized by the signal recognition section.
  • a “substantially complementary structure” is understood as meaning sequence sections in which maximally 10% of the base pairs form mismatches. the base pairs form mismatches.
  • the signal oligonucleotides are present predominantly in a hairpin structure under normal conditions, the target nucleic acid oligomers form a double strand, the primers are usually single-stranded and the nucleic acid polymerase is usually unbound and has no synthesis activity.
  • the hairpin structure of the Signaloligonukleotide has a melting temperature ⁇ ⁇ , ⁇ .
  • the melting temperature of a hairpin structure is understood to be the temperature at which 50% of the signal oligonucleotides are in the form of hairpin and 50% of the signal oligonucleotides are in open form.
  • all potential hybrids / self-hybrids are dissociated by a suitable measure known to the person skilled in the art, for example an increase in temperature.
  • the primers hybridize to complementary sites of the still single-stranded targets.
  • the polymerase binds to the hybrid of primer and target in the region of the 3 " - OH end of the primer and begins with the extension of the primer at its 3 " OH end.
  • the present single strand of the target is read as a template and a new double strand is formed.
  • the hairpin of the Signaloligonukleotids remains during the temperature reduction at least partially in its open form, the signal-recognition section hybridizes to the corresponding target recognition portion of the single-stranded targets and forms with this a double strand.
  • the first signal pin portion of the signal oligonucleotide is not complementary to the target nucleic acid oligomers, it does not hybridize with the target nucleic acid oligomers and therefore exists as the target protruding portion. If the polymerase now arrives at a site of the target on which the signal recognition section of a signal oligos is already bound during the polymerization, the enzyme, because of its exonuclease activity, cuts the first signal pin section not hybridized to the target in a region of the hybridized signal recognition section.
  • the resulting, with the redox-active detection label modified signal oligonucleotide sections can bind due to the signal pin sections to the complementary probe pin sections of the probe oligonucleotides and thus to the modified surface.
  • the redox-active detection labels are used for the electrochemical detection of signal oligonucleotide segments bound to the modified surface (electrodes) by hybridization with the probe oligonucleotides. When a corresponding voltage is applied to the test site, a current corresponding to the degree of hybridization of probe oligonucleotides and bound signal oligonucleotide sections is measured.
  • This electrically detectable signal is at a temperature T DE T ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ significantly higher than the corresponding signal of the original signal oligonucleotides, since the latter are not or only to a very small extent bound to the probe oligonucleotides in the hairpin form.
  • the replication of the target nucleic acid oligomers proceeds repeatedly to form the signal oligonucleotide portions, and the concentration of free signal oligonucleotide portions increases with increasing amplification, which can be understood at the test site.
  • the increase in concentration leads to an occupied with probe nucleic acid oligomers test site to a - compared to the measurement at cycle 0 - significantly accelerated Anhybridmaschine the Signaloligo sections and thus to an increase in the detected electrochemical signal.
  • the method according to the invention thus provides a method with which the progress of a real-time nucleic acid amplification can be monitored by an increase of the electrochemically detected signal, starting from a substantially zero signal.
  • the electrochemically detected signal increases in proportion to the number of target nucleic acid oligomers. This makes it possible to detect the smallest amounts of target nucleic acid oligomers.
  • the signal nucleic acid oligomers are modified with multiple detection labels, thereby obtaining higher intensity signals.
  • the detection label used is a redox-active substance.
  • the signal nucleic acid oligomers preferably have 10 to 200 bases, in particular 20 to 100 bases, particularly preferably 25 to 70 bases.
  • the amplification of the target nucleic acid oligomers and the detection of the signal nucleic acid oligomer sections are repeated several times, thereby enabling the determination of the increase in signal intensity over time in the course of the amplification of the target nucleic acid oligomers.
  • the concentration of the signal nucleic acid oligomers in the mixture prepared in step e) is preferably between 10 ⁇ 15 mol / l and 10 ⁇ 5 mol / l, more preferably between 10 ⁇ 13 mol / l and 10 ⁇ 7 mol / l and particularly preferred between 10 ⁇ 11 mol / l and 10 ⁇ 7 mol / l.
  • the signal nucleic acid oligomers additionally have at least one signal docking section
  • the probe nucleic acid oligomers additionally have a probe dock section which is complementary to the signal docking section of the signal nucleic acid oligomers, wherein the signal Dock portion of the signal nucleic acid oligomers adjacent to the first signal pin portion is arranged. More preferably, the probe dock portion of the probe nucleic acid oligomers is located adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomers. Most preferably, the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers.
  • the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomer is adjacent to the first signal pin portion which is provided with the redox active detection label.
  • the probe dock portion is adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomer.
  • the signal-to-docking section that is not complementary to the target, the latter remains unbound even when the signal recognition section is hybridized to the target together with the first signal pin section, and is substantially "projecting" from the target It is ensured that the signal-nucleic acid oligomer section is thus extended around the signal dock section in addition to the first signal pin section in a signal nucleic acid oligomer section formed by means of the amplification reaction the signal docking portion is complementary to the probe docking portion of the probe nucleic acid oligomers, the potential hybridization region between signal nucleic acid oligomer portion and probe nucleic acid oligomer is extended by these additional signal dock and probe dock portions becomes a faster and more stable binding of subsequently formed signal olig causes onuk
  • the signal dock portion is not complementary to the target also proves advantageous for another reason.
  • Target-complementary signal docking portions could bind to the single-stranded target nucleic acid oligomers.
  • binding to the target nucleic acid oligomers is undesirable and is advantageously avoided.
  • the signal docking portion is a variable encoding the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers.
  • defined signal dock sections can be coupled in a predetermined manner with a specific signal detection section, so that a specific sequence of the signal dock section corresponds to a specific target sequence.
  • a parallel detection of different targets using a DNA chip can be carried out in this way very easily. It just has to be one corresponding number of different sequences can be used as signal docking sections of the signal nucleic acid oligomers. Different targets can be detected on a DNA chip which has probe nucleic acid oligomers with a number of correspondingly different probe dock sections at different areas. If different targets are detected in separate experiments, the same sequence of the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomers can be used in the different approaches.
  • the signal nucleic acid oligomers are preferably modified in the region of the first signal pin section and / or in the region of the section arranged adjacent to the signal pin section with at least one redox-active detection label.
  • the redox active detection label may be equally bound to one of the two portions.
  • one of the two mentioned sections may be better suited for the modification than the other.
  • the optimal choice for modification can be made.
  • both sections may be modified with several detection label.
  • the two signal-pin sections of the signal nucleic acid oligomers each have 4 to 10 bases, preferably 5 to 8 bases.
  • the stated number of bases ensures, on the one hand, that under normal conditions the predominant part of the signal nucleic acid oligomers is present as a hairpin, and secondly that the melting temperature of the hairpin is in the range of the temperatures used in the nucleic acid amplification.
  • the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers is disposed within the loop portion of the hairpin structure between the signal pin portions.
  • the signal recognition section is arranged in the loop area of the hairpin. For the loop area of a hairpin, both the base length and the base sequence offer greater possibilities of variation, as a result of which very different and specific signal recognition sections in different lengths can be integrated into the loop area.
  • a further advantage of said embodiment is that the loop region is always single-stranded and, therefore, binding of the signal oligomer to the target is possible even when the signal oligomer is hairpin. This applies only if neglecting steric hindrance.
  • correct cleavage by the exonuclease activity of the polymerase during amplification is also conceivable in the case of a hybrid of hairpin and target.
  • the pin portion of the hairpin disintegrates, releasing the signal nucleic acid oligomer portion and being available for detection at the modified surface.
  • the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers. Since, according to the said embodiment, the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target sequence, the polymerase advantageously can not dock to the signal oligo and from there extend the strand, which could lead to undesirable by-products. Also preferred are embodiments according to which the free end of the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is formed by a nucleotide having an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside. Particularly advantageous according to this embodiment, a chain extension on the signal nucleic acid oligomer is prevented, thereby avoiding the formation of undesirable by-products.
  • the probe nucleic acid oligomers in their probe pin sections and / or in their probe dock sections have at least one nucleotide that is not complementary to the corresponding signal pin sections and signal dock Is sections of the signal nucleic acid oligomers or the signal nucleic acid oligomer sections.
  • the binding of the signal oligonucleotide sections to the probe oligonucleotides is detected.
  • An interfering background signal can result from the fact that hairpin signal oligonucleotides bind to the probe oligonucleotides.
  • a better discrimination between signal oligonucleotide sections and hairpin signal oligonucleotides can be achieved by having the probe oligonucleotides in the probe pin and probe dock section (s) contain one, two or more bases that are not complementary to the corresponding signal Pin and signal docking portions of the Signaloligonukleotids are.
  • the binding constant of the hairpin signal oligonucleotides to the probe oligonucleotides is significantly more reduced than the binding constant of the signal oligonucleotide portions to the probe oligonucleotides, resulting in an increased difference between the corresponding signal intensities.
  • a corresponding discrimination-enhancing behavior at the probe can also be achieved if the probe in the region (s) complementary to the signal oligonucleotides is one, two or more bases shorter than the corresponding region of the hairpin signal oligonucleotide or signal oligonucleotide segment.
  • the detection of the signal nucleic acid oligomer cuts formed in the method according to the invention by an electrochemical detection method at a temperature T DET between 20 'C and 60' C, preferably between 30 'C and 50 ° C.
  • T DET a temperature between 20 'C and 60' C, preferably between 30 'C and 50 ° C.
  • the amplification of the target nucleic acid oligomers is carried out by a PCR or by an isothermal amplification.
  • the PCR represents an established method by which a largely error-free amplification of the target nucleic acid oligomers can be ensured.
  • the present invention also encompasses a signal nucleic acid oligomer for use in a method according to the invention, wherein the signal nucleic acid oligomer has a first and a second signal pin section complementary to each other to form a hairpin structure and the signal nucleic acid oligomer in the range of two Forming a hairpin structure to each other complementary signal pin sections is modified with at least one redox-active detection label.
  • the present invention also encompasses a kit for carrying out a method according to the invention comprising a modified surface as described above, an effective amount of signal nucleic acid oligomers as described above and a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution comprises at least nucleotides, primers and at least one species of nucleic acid polymerase having exonuclease activity.
  • the Conductive Surface refers to any electrically conductive substrate capable of covalently or by other specific interactions binding derivatized or non-derivatized probe nucleic acid oligomers directly or after appropriate chemical modification.
  • Any carrier with an electrically conductive surface of any thickness can be used, in particular surfaces of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese. Particularly preferred in the context of the present invention, a gold-coated surface is used.
  • any doped or non-doped semiconductor surfaces of any thickness can be used. All semiconductors can be used as pure substances or as mixtures. Examples which may be mentioned here are carbon, silicon, germanium, tin, Cu (I) and Ag (I) halides of any desired crystal structure. Also suitable are all binary compounds of any composition and any structure of the elements of groups 14 and 16, the elements of groups 13 and 15, and the elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds of any composition and any structure of the elements of Groups 1 1, 13 and 16 or the elements of groups 12, 13 and 16 are used. The names of the groups of the Periodic Table of the Elements refer to the 1985 IUPAC Recommendation.
  • the probe nucleic acid oligomers may, for example covalently bound to the surface via hydroxyl, epoxide, amino or carboxy groups of the support material with hydroxy, amino or carboxyl groups naturally present on the nucleic acid oligomer or attached by derivatization to the probe nucleic acid oligomer.
  • thiol-modified probe nucleic acid oligomers can be chemisorptively bound to eg gold surfaces.
  • the probe nucleic acid oligomer can be bound directly or via a linker / spacer to the surface atoms or molecules of a surface.
  • the probe nucleic acid oligomer can be anchored by the methods customary in immunoassays, for example by using biotinylated probe nucleic acid oligomers for noncovalent immobilization on avidin or streptavidin-modified surfaces.
  • the chemical modification of the probe nucleic acid oligomers with a surface anchor group can already be introduced in the course of the automated solid-phase synthesis or in separate reaction steps.
  • the nucleic acid oligomer is linked directly or via a linker / spacer with the surface atoms or molecules of a surface of the type described above. This binding can be carried out in various ways known to those skilled in the art. In this context, reference is made to WO 00/42217 A1.
  • probe immobilization on a DNA chip is described in P. Liepold, T. Kratzmuller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, pp. 1759-1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practica! Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis is described in detail.
  • EDDA Electrically Detected Displacement Assay
  • the probe nucleic acid oligomers of the present invention consist of nucleotides in a particular nucleotide sequence (sequence) and are immobilized on a surface.
  • Target nucleic acid oligomers are defined as molecules that are specifically formed with the signal nucleic acid oligomers of a double-stranded hybrid interact.
  • Target nucleic acid oligomers within the meaning of the present invention are therefore nucleic acid oligomers which function as complex binding partners of the complementary signal nucleic acid oligomer.
  • the target nucleic acid oligomers whose presence is to be detected by the present invention have at least one sequence region whose sequence is complementary or at least substantially complementary to a portion of the signal nucleic acid oligomers.
  • nucleic acid oligomer or ns-oligomer is a compound of at least two covalently linked nucleotides or of at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine), preferably a DNA , RNA or PNA fragment.
  • pyrimidine eg cytosine, thymine or uracil
  • purine bases eg adenine or guanine
  • nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, e.g. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous backbone structures, such as e.g.
  • a thio-phosphate a dithio-phosphate or a phosphoramide backbone.
  • An essential feature of a nucleic acid according to the present invention is the sequence-specific binding of naturally occurring DNA, or RNA or derived (transcribed or amplified) structures such as cDNA or amplified cDNA or amplified RNA (aRNA).
  • the signal nucleic acid oligomers in the context of the present invention are nucleic acid hairpin structures.
  • Hairpins are a special form of secondary structure of nucleic acids and result from the fact that a sequence segment of a single-stranded DNA or RNA molecule can fold back onto a complementary region within the same molecule to form a small double-stranded segment
  • hairpins always exist to a certain extent in the closed form, ie the hairpin form and to a certain extent in the open, ie single-stranded form, it turns out a thermodynamic equilibrium.
  • the ratio of closed to open form becomes For example, influenced by the temperature, for example, at the melting temperature T P
  • the melting temperature itself, in turn, depends on the sequence of the complementary sections forming the pin or star, their GC content, their length and the like.
  • the signal nucleic acid oligomers are labeled by derivatization with one or more detectable redox-active substances. This label enables the detection of the complexing events between the signal nucleic acid oligomer sections formed in the method according to the invention and the surface-bound probe nucleic acid oligomers.
  • redox label transition metal complexes in particular those of copper, iron, ruthenium, osmium or titanium with ligands such as pyridine, 4,7-dimethylphenanthroline, 9,10-phenanthrenquinonediimine, porphyrins and substituted porphyrin derivatives can be used.
  • riboflavin of quinones such as pyrroloquinolinequinone, ubiquinone, anthraquinone, naphthoquinone or menaquinone or derivatives thereof, of metallocenes and metallocene derivatives such as ferrocenes and ferrocene derivatives, cobaltocenes and cobaltocene derivatives, of porphyrins, methylene blue, daunomycin, dopamine derivatives, hydroquinone Derivatives (para- or ortho-dihydroxy-benzene derivatives, para- or ortho-dihydroxy-anthraquinone derivatives, para- or ortho-dihydroxy-naphthoquinone derivatives) and similar compounds possible. Particular preference is given to using ferrocene or a ferrocene derivative as the redox-active label.
  • Indirect labels can also be used in the process according to the invention.
  • the term "indirect labels” is understood to mean those in which the actually detectable form of the label is first formed via an enzyme-catalyzed reaction The detectable form of the label can then be detected on the surface Examples of such indirect labels are known to the person skilled in the art from the literature As is known, alkaline phosphatase (AP) may be used as an example called p-aminophenyl phosphate with the substrate. If AP is bound to the signal nucleic acid oligomer as an indirect marker, electrochemical detection of the signal nucleic acid oligomer can be effected by adding p-aminophenyl phosphate at the time of detection.
  • AP alkaline phosphatase
  • the electrochemically inactive p-aminophenyl phosphate serves as a substrate of the enzyme AP and is converted to p-aminophenol. After diffusion to a conductive surface, p-aminophenol can now be detected electrochemically, since this form of the substrate (ie after conversion at the AP) is electrochemically active.
  • AP can also be used for chromogenic detection (eg with 5-bromo-4-chloro-3-indoxyl phosphate in conjunction with nitroblue tetrazolium chloride).
  • Electrochemical Detection Methods the kinetics of electrochemical processes can be used to distinguish between redox-active detection labels adsorbed to a surface and dissolved in the supernatant.
  • Surface adsorbed detection labels are generally more rapidly electrochemically reacted (e.g., oxidized or reduced) as the redox-active, volume phase detection label since the latter must first diffuse to the (electrode) surface prior to electrochemical conversion.
  • electrochemical surface-sensitive methods cyclovalentammetry, amperometry and chronocoulometry are mentioned. The method of chronocoulometry e.g. allows to distinguish near-surface redox-active components of (identical) redox-active components in the bulk phase and is e.g.
  • cyclic voltammetry, amperometry, chronocoulometry, impedance measurement or scanning electrochemical microscopy are used for electrochemical detection.
  • SECM scanning electrochemical microscopy
  • the modified surface has at least 2 spatially substantially separated regions, preferably at least 4 and in particular at least 12 spatially substantially separated regions.
  • spatially substantially separated regions areas of the surface which are predominantly modified by attachment of a particular type of probe nucleic acid oligomer. Only in areas where two such spatially substantially separated regions are contiguous may a mixture of different types of probe nucleic acid oligomers occur.
  • the modified surface has at least 32, in particular at least 64, most preferably at least 96 spatially substantially separated areas.
  • the modified surface provided in step a) of the method according to the invention preferably has an area of 1 ⁇ m 2 to 1 mm 2 , more preferably an area of 10 ⁇ m 2 to 100 ⁇ m 2 and particularly preferably an area of about 50 ⁇ m 2 .
  • one of the spatially substantially separated regions of the surface is bound one respective type of probe nucleic acid oligomer to the surface, the different types of probe nucleic acid oligomers differing in at least one base from one another. This allows the parallel detection of a variety of different types of target nucleic acid oligomers.
  • a CMOS-based DNA chip for electrochemical detection of hybridization between probe and signal oligonucleotide is e.g. in Augustyniak, M .; Paul, C; Brederlow, Fl .; Persike, N .; Hartwich, G .; Schmitt-Landsiedel, D .; Thewes, R. (2006), Solid State Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 59-68 A 24x16 CMOS-Based Chronoculometric DNA Microarray.
  • 1 a shows a probe nucleic acid oligomer in a schematic representation
  • Figure 1 b is a signal nucleic acid oligomer in a schematic representation.
  • FIG. 1 c shows a schematic representation of a target nucleic acid oligomer
  • Fig. 1 d primer and polymerase in a schematic representation
  • FIG. 2a in a schematic representation of the essential components of
  • 2b is a schematic representation of the essential components of the method according to the invention in its hybridization states at the start of a PCR cycle;
  • Fig. 2c is a schematic representation of the replication of the target and the formation of signal oligonucleotide sections
  • Fig. 3a is a plot of the peak current cyclovoltammetric measurements of a
  • Ferrocene labels as a function of time at the beginning of the PCR
  • Fig. 3b is a plot of the peak current cyclovoltammetric measurements of a
  • Ferrocene labels as a function of time after the 30th PCR cycle
  • oligonukleotide are given, which are on the one hand to probe oligonucleotides immobilized on a test site of a DNA chip, and on the other hand to the target oligonucleotides (a sequence region of the template or PCR to be amplified by PCR section) are complementary.
  • FIGS. 1 a to 1 d a probe nucleic acid oligomer 1, a signal nucleic acid oligomer 2 and the essential remaining components of an electrically detectable real-time PCR are shown schematically.
  • 1 a schematically shows a test site of a microarray with one of the probe oligonucleotides 1 immobilized thereon. The surface 3 of the test site is made of gold. On the Test site is immobilized on Thiolitatien (-S-) a kind of probe oligonucleotides 1.
  • the probe oligonucleotides 1 comprise the sections spacer 4, probe pin section 5 and probe dock section 6.
  • the probe dock section 6 can also be arranged between probe pin section 5 and spacer 4. In addition, it is possible for probe pin section 5 and probe dock section 6 to overlap, ie have common bases.
  • the signal oligonucleotides 2 have a so-called hairpin structure at normal conditions (25.sup.-1 bar), which consists of a pin region constructed from a first and a second signal pin section 5 ', 5 "and a loop region
  • the signal oligonucleotide 2 of the present example additionally has a signal dock section 6' which is complementary to the probe dock section 6 of the probe oligonucleotides 1.
  • the hairpin carries a covalently bound, electrically detectable one Label 9, wherein in the present example the first signal pin section 5 'is marked with the label
  • the first signal pin section 5' is complementary to the probe pin section 5 of the probe oligonucleotide 1.
  • the signal dock section 6 ' is not arranged between the signal pin section 5' and the signal recognition section 8, but at the terminal end at the free end of the signal pin section 5 ' Signal pin section 5 'and the signal dock section 6' overlap, so have shared bases.
  • the loop region of the signal oligonucleotides 2 has a signal recognition section 8 which is complementary to a target recognition section 8 'of the target nucleic acid oligomer 10 (FIG. 1 c).
  • the target nucleic acid oligomer is usually in the form of a double strand and has primer binding sites 1 1, 12, which in turn are complementary to the primers 1 1 'and 12 " ( Figure 1 d) represented with suitable exonuclease activity.
  • FIGS. 2a to 2c schematically show the basic features of the course of an electrically detectable real-time PCR in the volume phase.
  • the essential components in their hybridization states under normal conditions 25 ° C, 1 bar) are shown in Fig. 2a.
  • the signal oligonucleotides 2 are present in a hairpin structure, the target 10 as a double strand, the primers 1 1 ', 12' single-stranded and the polymerase 13 in a state not bound to the DNA.
  • a PCR cycle is started by briefly heating the PCR solution to about 95 ° C to dissociate potential hybrid / self-hybrids (see Figure 2b).
  • the primers 1 1 ', 12' can hybridize with the single-stranded targets 10 and the polymerase 13 can dock, on the other hand the hairpin of the signal oligonucleotide remains at least partially dissociated, and the signal detection section 8 of the signal oligos 2 can hybridize with the target recognition section 8 '.
  • the second signal pin section 5 "of the signal oligos 2 is not complementary to the target sequence, this section is always single-stranded, which is why the polymerase 13 can not dock to the signal oligo 2 and extend from there the strand, resulting in undesirable by-products
  • the signal oligo 2 could also have an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside at the end of the second signal pin section 5"
  • Known measures can be taken to avoid chain extension of the signal oligonucleotide 2.
  • the temperature suitable for the state sketched in FIG. 2c is essentially of the primer hybridization temperature T P .
  • the appropriate temperature T should apply to the process outlined in Fig. 2c: T ⁇ T P ⁇ T so ⁇ (>) T P , N , where the temperature T should additionally be in a range where the polymerase is high Rates of target replication (typically around 70 'C); T can be optimized accordingly in preliminary tests.
  • T can also be smaller than T Pin , if it is ensured that at least a fraction of the signal oligos 2 and / or (partially) closed hairpin structure to the at least in the target recognition section 8 'single-stranded target 10 can bind. If the prerequisites outlined in FIG. 2c are given and the polymerase 13 has a suitably suitable exonuclease activity, this replication causes the signal oligonucleotide 2 bound to the target 10 to be replicated in an area in the vicinity of the transition from the signal dock section 6 'to the signal detection section 8 of the Signaloligonukleotids 2 intersect. This results in a short signal oligonucleotide portion 14 which is separated from the signal oligonucleotide trunk 15 ( Figure 2c).
  • the covalently bound redox-active label, in particular ferrocene 9, of the signal oligonucleotides 2 can be used for the electrochemical detection of signal oligonucleotides 2 bound / hybridized to the modified surface 3, namely the test sites (electrodes). Ferrocene is reversibly oxidizable and reducible. When a corresponding voltage is applied to the test site, a current corresponding to the degree of hybridization of probes 1 and bound signal oligos 2 is measured.
  • the Signaloligo sections 14 at a suitable temperature (T DE T ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ ) are bound at the test site with probe oligo 1 and generate an electrically detectable signal, which is significantly higher at T DE T ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ corresponding signal of the original Signaloligos 2, since the latter is not or only to a very small extent bound to the probe 1 in the hairpin shape.
  • probe 1 between first signal pin section 5 and signal dock section 6 may additionally have one, two or more bases which are not complementary to signal oligonucleotide 2 and upon attachment of hairpin signal oligonucleotide 2 and signal oligonucleotide segments 14 form mismatches and / or a so-called "gap", which has a strong negative effect on the hybridization of hairpin signal oligonucleotides 2, but only slightly negative on the hybridization of signal oligonucleotide segment 14.
  • a corresponding discrimination-increasing behavior on the probe 1 can also be achieved if the probe 1 in the region of the first signal pin and / or the signal dock section 5 ', 6' by one, two or more bases shorter than that corresponding portion of hairpin signal oligonucleotide 2 or signal oligonucleotide portion 14.
  • Table 1 summarizes the primers, probe, signal and target oligonucleotides used for the following eRT-PCR experiments.
  • Table 1 5'-3 'sequences of the oligonucleotides outlined in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 3a and 3b show measurement results of an electrically detected signal change for "real time” tracking of the progress of a PCR reaction in Fig. 3a, the peak current cyclovoltammetrischer measurements of the ferrocene label 9 as a function of time at the beginning of the PCR (cycle 0 ) for two probes (probe_A_1 and probe_A_3, see Table 1)
  • This representation corresponds to the hybridization behavior of the signal oligos 2 and / or signal oligo sections 14, which depends, inter alia, on the concentration of signal oligos 2 or signal oligo sections 14.
  • FIG 3a is thus the hybridization behavior of the signal oligonucleotide 2 at 40 °, a temperature at which the signal oligonucleotide 2 is present as a hairpin, with which Fig. 3a finally also represents the background signal of the measurement PCR cycle (the Her-2 PCR, see text) compared to the background signal (Probe_A_3 at 0 cycles)
  • the amount of signal oligo segments 14 corresponding to the progress of the amplification was prepared via the exonuclease activity of the Taq polymerase.
  • the hybridization behavior at cycle 30 essentially corresponds to the background signal (from FIG. 3 a) and the signal of the signal oligoparticles 14 formed.
  • Her-2 human epidermal growth factor receptor 2 cDNA
  • To this master mix are the template and signal oligonucleotides (50nM), as well as control signal oligonucleotides (50 nM), which are completely non-complementary to DNA sequences of the template solution given.
  • the PCR cartridge is a 20 mm diameter, 1 mm thick cell containing approximately 0.5 mm of hollow tubing for receiving the solution for the PCR reaction.
  • a DNA chip Inside the cartridge is a DNA chip whose sensor field is in fluid contact with the reaction solution via a bridge channel.
  • the chip has a plated-through hole so that the electrical contacting of the DNA chip necessary for the measured value acquisition can be accomplished from outside via spring contacts.
  • the PCR cycler consists of 3 heating blocks made of a good thermally conductive material (eg aluminum). By means of Peltier elements or heating mats, platinum resistance for temperature measurement and suitable control electronics (PID controller), the heating blocks are brought to the temperature necessary for the PCR reaction. Each block contains a gap into which the PCR cartridge is inserted. Above and below the cartridge, another heating block is located in the area of the DNA chip in order to set the chip temperature independently of the temperature for the PCR reaction in the reaction channel. This centric heating block also serves to mediate the rotational movement of the PCR cartridge and the contacting of the DNA chip in the cartridge.
  • PID controller suitable control electronics
  • the area in which the cell has a certain temperature can be set.
  • a 2: 1: 1 ratio of 95 ⁇ range was chosen to be 72 ° C (annealing) and 72 ⁇ C (elongation) ranges.
  • the rotation frequency By varying the rotation frequency, the time during which the critical temperatures for the PCR reaction applied to the cartridge can be varied. Before starting the PCR, the reaction mixture is heated in the PCR cycler for 3 min at 95 ° C and then cooled and after slight mixing of the PCR solution by suitable measures to ensure that fresh solution from the PCR channel wets the chip, a first measurement performed on the integrated DNA chip.
  • the DNA chip carries probes of the Probe_A_3 type which are at least partially complementary to the signal nucleic acid oligomer section 14 and, at another test site, probes which are complementary to the control signal oligonucleotide.
  • the measurement takes place at 40 ° C., ie well below the T pin of the signal oligonucleotide and corresponds to the measured values shown in FIG. 3 a.
  • the heating blocks of the PCR cycler are set to 96 ° C (melting), 72 ° C (annealing) and 72 ⁇ C (elongation) and the PCR cartridge with a rotational speed of Turned 2 revolutions per minute (ie 2 cycles per minute) in the heating blocks.
  • the nearly centrically aligned sensor field of the DNA chip is held at about 40 ° C via another heating block.
  • the PCR cartridge is generally rotated further.
  • the peak currents of the hybridization behavior are shown in each case 20 seconds after the corresponding PCR cycle as a function of the number of cycles in order to illustrate the amplification profile during the PCR. From about 20 cycles, this peak current increases significantly. This increase is due to the increased formation of Signaloligo sections and thus to increased amplification of the target DNA Her-2.
  • By appropriate standardization and comparison with the control test site it is also possible not only to prove the presence of the corresponding target sequence, but also to back to the original amount present (quantitative or semiquantitative real-time PCR). LIST OF REFERENCE NUMBERS

Abstract

The invention relates to a method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridisation occurrences, comprising the steps of: a) preparing a modified surface, wherein the modification consists of the bonding of at least one type of probe nucleic acid oligomers (1), wherein the probe nucleic acid oligomers (1) have a probe pin section (5) complementary to a first signal probe section (5') of signal nucleic acid oligomers (2); b) preparing at least one type of signal nucleic acid oligomers (2), wherein the signal nucleic acid oligomers have a first signal pin section (5') complementary to the probe pin section (5) of the probe nucleic acid oligomers (1), the signal nucleic acid oligomers (2) have a signal recognition section (8) complementary to a target recognition section (8') of target nucleic acid oligomers (10), the signal nucleic acid oligomers (2) have a first and a second signal pin section (5, 5'') complementary to each other forming a hairpin-structure, wherein the hairpin structure has a melting temperature (TPIN), the first signal pin section (5') designed to form a hairpin structure is not complementary to the target nucleic acid oligomers (10), and the signal nucleic acid oligomers (2) are modified in the region of the first signal pin section (5') designed for forming the hairpin structure with at least one redox-active detection label (9); c) preparing a sample having target nucleic acid oligomers (10); d) preparing a reaction solution for performing a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution contains at least nucleotides, at least one type of primer (11', 12') and at least one type of nucleic acid polymerase (13) having exonuclease activity; e) mixing the reaction solution prepared in step d) with the signal nucleic acid oligomers (2) prepared in step b) and mixing the sample prepared in step c) with target nucleic acid oligomers (10); f) amplifying the target nucleic acid oligomers (10) by means of nucleic acid amplification to form signal nucleic acid oligomer portions (14); g) bringing the reaction mixture obtained in step f) into contact with the modified surface prepared in step a); h) detecting the signal nucleic acid oligomer portions (14) formed by means of an electrochemical detection method at a temperature TDET ≤ TPIN; i) repeating the steps f) to h) multiple times; and k) comparing the different values obtained in step h).

Description

Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomer- Method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer
Hybridisierungsereignissen hybridization events
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen. The present invention relates to a method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events.
Stand der Technik State of the art
In der Krankheitsdiagnose, der mikrobiologischen Diagnostik, bei toxikologischen Testverfahren, in der genetischen Forschung und Entwicklung, sowie auf dem Agrar- und pharmazeutischen Sektor ist ein Direktnachweis kleinster Mengen von Nukleinsäuren mittlerweile unumgänglich. Zunehmend finden Detektionsverfahren mittels Array-Technologie unter Verwendung sogenannter DNA-Chips Anwendung, die eine oberflächensensitive Detektion von Nukleinsäureoligomer- Hybridisierungsereignissen ermöglichen. Mit Hilfe dieser empfindlichen Methode können Nukleinsäuren mit einer sehr geringen Nachweisgrenze detektiert werden. Häufig ist jedoch vor der eigentlichen Detektion ein DNA-Amplifizierungsschritt notwendig, in dem die nachzuweisenden DNA-Moleküle vervielfältigt werden, damit sie letztlich in einer Konzentration vorhanden sind, die über der Nachweisgrenze der gewählten Detektionsmethode liegt. Die PCR stellt eine solche für die Molekularbiologie grundlegende Methode dar, die im Wesentlichen der Vervielfältigung von DNA-Molekülen dient und den schnellen, empfindlichen Direktnachweis kleinster Mengen von DNA oder RNA erlaubt. In den vergangenen Jahren hat diese Methode die Labors erobert, da ihre Anwendung sehr breit und vielschichtig ist. Die PCR hat in fast allen Bereichen der Wissenschaft und Medizin, einschließlich der forensischen Medizin, der pränatalen Diagnostik, der Onkologie und nicht zuletzt in der mikrobiologischen Diagnostik Einzug gehalten. Beispielsweise ist die PCR auf dem Sektor der klinischen Diagnostik meist die Methode der Wahl um z. B. Krankheitserreger nachzuweisen. Ebenso wird sie in der Lebensmittelindustrie als Nachweismethode für belastende Keime angewandt. In disease diagnosis, microbiological diagnostics, toxicological testing, genetic research and development, as well as in the agricultural and pharmaceutical sectors, the direct detection of very small amounts of nucleic acids has become indispensable. Increasingly, detection techniques using array technology using so-called DNA chips have become available which enable surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer hybridization events. With the help of this sensitive method, nucleic acids can be detected with a very low detection limit. Often, however, prior to the actual detection, a DNA amplification step is necessary in which the DNA molecules to be detected are amplified so that they are ultimately present in a concentration which is above the detection limit of the selected detection method. The PCR is such a basic method for molecular biology, which essentially serves the duplication of DNA molecules and allows the rapid, sensitive direct detection of minute amounts of DNA or RNA. In recent years, this method has conquered the laboratories, as their application is very broad and complex. The PCR has in almost all areas of the Science and medicine, including forensic medicine, prenatal diagnostics, oncology and last but not least in microbiological diagnostics. For example, PCR in the field of clinical diagnostics is usually the method of choice for z. B. detect pathogens. It is also used in the food industry as a detection method for harmful germs.
Bei der PCR handelt es sich um eine enzymatische Reaktion zur Amplifikation von Nukleinsäuremolekülen, die im Wesentlichen in einem wässrigen bzw. flüssigen Reaktionsgemisch mit sehr kleinen Volumina abläuft. Im Reaktionsgemisch befindet sich eine Nukleinsäure enthaltende Probe und die für die Reaktion außerdem notwendigen Primer, Nukleotide und eine Polymerase. Durch Zugabe von Puffern und vorzugsweise zweiwertigen Ionen wie z. B. Mg2+ wird das Reaktionsgemisch so eingestellt, dass die für die jeweilige Anwendungsart optimalen Reaktionsbedingungen herrschen. The PCR is an enzymatic reaction for the amplification of nucleic acid molecules, which essentially takes place in an aqueous or liquid reaction mixture with very small volumes. The reaction mixture contains a nucleic acid-containing sample and the primers, nucleotides and a polymerase which are also necessary for the reaction. By adding buffers and preferably bivalent ions such. B. Mg 2+ , the reaction mixture is adjusted so that prevail for the respective application optimum reaction conditions.
Die Polymerase-Kettenreaktion beruht auf einem immer wiederkehrenden Zyklus aus drei, bei unterschiedlichen Temperaturen ablaufenden Schritten, nämlich Denaturierung, Hybridisierung und Verlängerung. The polymerase chain reaction is based on a recurring cycle of three steps occurring at different temperatures, namely denaturation, hybridization and extension.
Bei der Denaturierung wird das Reaktionsgemisch auf eine Temperatur größer 90 °C, vorzugsweise 94 <C bis 95^ erhitzt. Dadurch trennen sich die beiden komplementären Stränge einer doppelsträngigen DNA, die DNA wird „aufgeschmolzen" bzw. denaturiert und liegt anschließend in Einzelsträngen vor. In the denaturation, the reaction mixture is heated to a temperature greater than 90 ° C, preferably 94 < C to 95 ^. As a result, the two complementary strands of a double-stranded DNA separate, the DNA is "melted" or denatured and is then present in single strands.
Bei der Hybridisierung (auch„Annealing") wird die Temperatur auf eine sogenannte „Annealing-Temperatur" herabgesetzt. Bei dieser Temperatur verbinden sich die Primer mit der DNA, sie hybridisieren. An den Stellen, an denen der Primer gebunden ist, lagern sich die Polymerasen an und beginnen mit der Verlängerung, indem sie weitere komplementäre Nukleotide am 3'-OH-Ende des Primers anfügen und damit einen Gegenstrang synthetisieren. During the hybridization (also "annealing"), the temperature is lowered to a so-called "annealing temperature". At this temperature, the primers combine with the DNA, they hybridize. At the sites where the primer is bound, the polymerases anneal and begin to elongate by attaching additional complementary nucleotides to the 3'-OH end of the primer to synthesize a counterstrand.
Bei jeder Wiederholung obiger drei Schritte verdoppelt sich die Anzahl an kopierten DNA-Molekülen. Nach 20 Zyklen entstehen auf diese Weise aus einem einzigen DNA-Doppelstrang etwa eine Million Moleküle. Each repetition of the above three steps doubles the number of copied ones DNA molecules. After 20 cycles, about one million molecules are formed from a single DNA double strand.
Die Anzahl der Zyklen kann je nach Anwendungsart, Beschaffenheit der Probe und den spezifischen Anforderungen und Reaktionsbedingungen entsprechend gewählt werden. Ebenso kann die Einstellung der Zeitspannen für die einzelnen Schritte an die Erfordernisse bestimmter Anwendungsarten angepasst werden. The number of cycles can be selected according to the type of application, the nature of the sample and the specific requirements and reaction conditions. Likewise, the setting of the time intervals for the individual steps can be adapted to the requirements of specific types of applications.
Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang noch eine besondere Art der PCR, die Real-Time-PCR. Diese quantitative PCR Methode erfreut sich in den molekularbiologischen Labors immer größerer Beliebtheit, da sie eine Detektion der Proben-DNA bzw. der Amplifikationsprodukte in Echtzeit und zugleich die Bestimmung der anwesenden Menge einer Proben-DNA erlaubt. Die Bestimmung der DNA-Menge am Ende einer PCR („Endpunktsbestimmung") lässt aus vielerlei Gründen nicht direkt Rückschlüsse auf die Zahl der ursprünglich vorliegenden Moleküle zu, da z.B. am Anfang wie auch am Ende der PCR die Bedingungen für die Polymerasen nicht unbedingt optimal sind und daher die Amplifikation nicht über die ganze Reaktionszeit gleichmäßig abläuft. Daher kann die Quantifizierung am Ende einer PCR sehr ungenau sein. Wesentlich genauere Quantifizierungen sind möglich, wenn die Anzahl gebildeter DNA-Moleküle schon während der Reaktion, also nach jedem einzelnen Zyklus, erfasst wird. Noteworthy in this context is a special type of PCR, the real-time PCR. This quantitative PCR method is becoming increasingly popular in molecular biology laboratories because it allows detection of the sample DNA or amplification products in real time and at the same time the determination of the amount of sample DNA present. The determination of the amount of DNA at the end of a PCR ("end point determination") for many reasons does not allow conclusions about the number of originally present molecules, since, for example, at the beginning and at the end of the PCR conditions for the polymerases are not necessarily optimal Therefore, quantification at the end of a PCR may be very inaccurate, and much more accurate quantification is possible if the number of DNA molecules formed is already detected during the reaction, that is, after each cycle ,
Die meisten bekannten Verfahren zur Real-Time-PCR bedienen sich der Fluoreszenzmessung, wobei sequenzunabhängige und seuenzspezifische Detektionsmethoden bekannt sind. Bei den sequenzunabhängigen Detektionsmethoden wird beispielsweise ein interkalierender Fluoreszenzfarbstoff verwendet, welcher sich sequenzunabhängig in doppelsträngige DNA einlagert. Durch Amplifizierung einer DNA erhöht sich die Gesamtmenge an DNA, das Fluoreszenzsignal nimmt zu. Bei sequenzspezifischen Nachweismethoden sollen ganz spezifische Targets oder Gen-Abschnitte in einem Testansatz nachgewiesen und quantifiziert werden. Dazu werden Oligonukleotid-Sonden verwendet, die an die amplifizierte Target-DNA binden. Mehrere Prinzipien zur sequenzspezifischen Detektion eines Fluoreszenzsignals und damit zur Detektion und Quantifizierung der Target-DNA stehen zur Verfügung. Beispielweise kann der Nachweis über ein so genanntes FRET-Prinzip (Fluorescence Resonance Energy Transfer Prinzip) geführt werden. Dabei werden zwei spezifische Oligonukleotid-Sonden, welche im Target direkt benachbart binden können, eingesetzt. Jede Oligonukleotid-Sonde ist mit einem anderen Fluoreszenzfarbstoff markiert, wobei einer der Farbstoffe, nach Anregung mit Licht durch seine emittierten Photonen wiederum den zweiten Farbstoff anregt sofern dieser sich in ausreichender Nähe befindet. Das Emissionslicht dieses zweiten Farbstoffes wird mittels einer geeigneten Vorrichtung detektiert. Die Zunahme der Fluoreszenzintensität spiegelt die Zunahme des Targets wider. Most known methods for real-time PCR use the fluorescence measurement, sequence-independent and sequence-specific detection methods are known. In the sequence-independent detection methods, for example, an intercalating fluorescent dye is used, which stores sequence-independently in double-stranded DNA. By amplifying a DNA, the total amount of DNA increases, the fluorescence signal increases. For sequence-specific detection methods, very specific targets or gene segments are to be detected and quantified in a single assay. For this purpose, oligonucleotide probes are used which bind to the amplified target DNA. Several principles for the sequence-specific detection of a fluorescence signal and thus for the detection and quantification of the target DNA are available. For example, the detection can be performed via a so-called FRET principle (fluorescence resonance energy transfer principle). In this case, two specific oligonucleotide probes, which can bind directly adjacent in the target used. Each oligonucleotide probe is labeled with a different fluorescent dye, wherein one of the dyes, after excitation with light by its emitted photons again stimulates the second dye if this is in sufficient proximity. The emission light of this second dye is detected by a suitable device. The increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
Eine weitere Möglichkeit zur sequenzspezifischen Messung eines Fluoreszenzsignals beruht auf dem Prinzip des Fluoreszenz-Quenching. Eine spezifische fluoreszenzmarkierte Sonde wird zusätzlich mit einem Fluoreszenzquencher ausgestattet, der sich in ausreichender räumlicher Nähe zum Fluorophor befindet, so dass die Sonde wegen des Quench-Vorgangs nicht fluoresziert. Bei geeigneter Konstruktion der Sonde wird aufgrund der Hybridisierung der Sonde an das Target der Quencher räumlich vom Fluoropphor entfernt, das Quenching verhindert und es kommt zur Fluoreszenzemission. Der Quencher kann auch bei an das Target gebundenen Sonden mittels einer geeigneten Exonukleaseaktivität einer Polymerase im PCR-Ansatz abgeschnitten werden. Auch hier spiegelt die Zunahme der Fluoreszenzintensität die Zunahme des Targets wider. Another possibility for the sequence-specific measurement of a fluorescence signal is based on the principle of fluorescence quenching. A specific fluorescence-labeled probe is additionally equipped with a fluorescence quencher that is sufficiently close to the fluorophore that the probe does not fluoresce because of the quenching process. With proper design of the probe, due to hybridization of the probe to the target, the quencher is spatially removed from the fluorophore, quenching is prevented, and fluorescence emission occurs. The quencher can also be cut off in probes bound to the target by means of a suitable exonuclease activity of a polymerase in the PCR approach. Again, the increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
Alternativ zu fluoreszenzabhängigen Detektionsmethoden wird zur Genanalyse mittels eines bereits eingangs erwähnten Detektionsverfahrens über Array- Technologien auf einem Chip beispielsweise auf einer Oberfläche eine Bibliothek bekannter DNA-Sequenzen ("Sonden-Oligonukleotide") in einem geordneten Raster fixiert, so dass die Position jeder individuellen DNA-Sequenz bekannt ist. Existieren in der Untersuchungslösung Fragmente aktiver Gene ("Target-Oligonukleotide"), deren Sequenzen zu bestimmten Sonden-Oligonukleotiden auf dem Chip komplementär sind, so können die Target-Oligonukleotide durch Nachweis der entsprechenden Hybridisierungsereignisse auf dem Chip identifiziert werden. Verfahren zur oberflächensensitiven Detektion von Nukleinsäureoligomer- Hybridisierungsereignissen sind hinreichend bekannt. So beschreibt beispielsweise die WO 2003/018834 A2 ein Verdrängungsassay zur Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen. Bei einem solchen elektrochemischen Verfahren werden die Assoziationsereignisse anhand der mit der Assoziation einhergehenden Änderung der elektrochemischen Eigenschaften der Sonden-Moleküle nachgewiesen. Die WO 201 1/069501 A1 kombiniert die hohe Empfindlichkeit einer oberflächensensitiven Detektion von Nukleinsäureoligomer-As an alternative to fluorescence-dependent detection methods, a library of known DNA sequences ("probe oligonucleotides") is fixed in an ordered grid for gene analysis by means of an already mentioned detection method via array technologies on a chip, for example on a surface, so that the position of each individual DNA Sequence is known. If fragments of active genes ("target oligonucleotides") whose sequences are complementary to specific probe oligonucleotides on the chip exist in the assay solution, then the target oligonucleotides can be identified by detection of the corresponding hybridization events on the chip. Methods for surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer hybridization events are well known. For example, WO 2003/018834 A2 describes a displacement assay for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events. In such an electrochemical process, the association events are evidenced by the change in the electrochemical properties of the probe molecules associated with the association. WO 201 1/069501 A1 combines the high sensitivity of a surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer
Hybridisierungsereignissen mit einer vorangegangenen Amplifizierung der Target- Nukleinsäure-Oligomere durch eine PCR. Dadurch kann die Grenze für den Nachweis der ursprünglich in der Probe vorhandenen Target- Nukleinsäureoligomere zu sehr kleinen Konzentrationen verschoben werden. Hybridization events with a preceding amplification of the target nucleic acid oligomers by a PCR. As a result, the limit for the detection of the target nucleic acid oligomers originally present in the sample can be shifted to very small concentrations.
Als nachteilig an diesen Verfahren hat sich herausgestellt, dass die Verdrängung der an die Sonden-Nukleinsäureoligomere hybridisierten Signal- Nukleinsäureoligomere durch die Target-Nukleinsäureoligomere eine Abnahme der Signalintensität bewirkt. Der Nachweis von Target-Nukleinsäureoligomeren erfolgt also ausgehend von einem maximalen Detektionssignal durch eine nachfolgende Abnahme der Signalintensität. A disadvantage of this method has been found that the displacement of the signal nucleic acid oligomers hybridized to the probe nucleic acid oligomers by the target nucleic acid oligomers causes a decrease in the signal intensity. The detection of target nucleic acid oligomers thus takes place on the basis of a maximum detection signal by a subsequent decrease in the signal intensity.
Es ist allgemein bekannt, dass die Detektion von beliebigen Target-Molekülen mit deutlich besserer Nachweisgrenze erfolgen kann, wenn der Nachweis von einem Null-Signal ausgeht, d.h. bei Abwesenheit der gesuchten Target-Moleküle wird auch kein Signal detektiert. Wünschenswert wäre es, wenn die Signalintensität direkt mit der Anzahl an anwesenden Target-Molekülen korrelieren würde. Aus der Zunahme der Signalintensität könnte dann die Bildung von Target-Molkülen mitverfolgt werden. It is well-known that the detection of any target molecules can be done with much better detection limit, if the detection of a zero signal emanates, i. in the absence of the desired target molecules no signal is detected. It would be desirable if the signal intensity correlated directly with the number of target molecules present. From the increase in signal intensity, the formation of target molecules could then be followed.
Darstellung der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen zu schaffen, das den Nachweis von Target-Nukleinsäureoligomeren durch eine Zunahme der Signalintensität ermöglicht. Presentation of the invention It is therefore an object of the present invention to provide a method of detecting nucleic acid oligomer hybridization events which enables the detection of target nucleic acid oligomers by an increase in signal intensity.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß unabhängigem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Figuren und den Beispielen. This object is achieved by the method according to independent claim 1. Further advantageous details, aspects and embodiments of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description, the figures and the examples.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt: The following abbreviations and terms are used in the context of the present invention:
DNA Desoxyribonukleinsäure DNA deoxyribonucleic acid
RNA Ribonukleinsäure  RNA ribonucleic acid
A Adenin  A adenine
G Guanin  G guanine
C Cytosin  C cytosine
T Thymin  T thymine
u Uracil u uracil
Base A, G, T, C oder U  Base A, G, T, C or U
Bp Basenpaar  Bp base pair
Nukleinsäure Wenigstens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- (z.B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z.B. Adenin oder Guanin). Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z.B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Strukturen (z.B. Phosphoramid-, Thio-Phosphat- oder Dithio-Phosphat-Rückgrat). Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure ist es, dass sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann. Nucleic acid At least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine). The term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, to a peptide backbone of the PNA or to analogous structures (eg, phosphoramid , Thio-phosphate or dithio-phosphate backbone). An essential feature of a nucleic acid is that it naturally occurring cDNA or RNA can bind sequence-specific.
Nukleotid, nt Monomerbaustein eines Nukleinsäureoligomers  Nucleotide, nt monomer building block of a nucleic acid oligomer
Oligonukleotid, Ol Äquivalent zu Nukleinsäureoligomer, also z.B. ein DNA-, Oligonucleotide, Ol equivalent to nucleic acid oligomer, e.g. a DNA,
PNA- oder RNA-Fragment nicht näher spezifizierter Basenlänge.  PNA or RNA fragment of unspecified base length.
Sequenz Nukleotidabfolge in einem Nukleinsäureoligomer komplementär Zur Ausbildung der Watson-Crick Struktur doppelsträngiger Nukleinsäureoligomere hybridisieren die beiden Einzelstränge, wobei die Nukleotidabfolge des einen Strangs komplementär zur Nukleotidabfolge des anderen Strangs ist, so dass die Base A (bzw. C) des einen Strangs mit der Base T (bzw. G) des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet (bei RNA ist T durch Uracil ersetzt).  Sequence Nucleotide Sequence Complementary in a Nucleic Acid Oligomer In order to form the Watson-Crick structure of double-stranded nucleic acid oligomers, the two single strands hybridize, the nucleotide sequence of one strand being complementary to the nucleotide sequence of the other strand, so that the base A (or C) of the one strand with the base T (or G) of the other strand forms hydrogen bonds (in RNA, T is replaced by uracil).
Mismatch Zur Ausbildung der Watson-Crick Struktur doppelsträngiger Nukleinsäureoligomere hybridisieren die beiden Einzelstränge derart, dass die Base A (bzw. C) des einen Strangs mit der Base T (bzw. G) des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet (bei RNA ist T durch Uracil ersetzt). Jede andere Basenpaarung innerhalb des Hybrids bildet keine Wasserstoffbrücken aus, verzerrt die Struktur und wird als "Mismatch" bezeichnet.  Mismatch To form the Watson-Crick structure of double-stranded nucleic acid oligomers, the two single strands hybridize such that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in RNA, T is replaced by uracil ). Any other base pairing within the hybrid does not form hydrogen bonds, distorts the structure, and is referred to as a "mismatch."
Perfekter Match Hybrid aus zwei komplementären Nukleinsäure- Oligomeren, bei dem kein Mismatch auftritt.  Perfect Match Hybrid of two complementary nucleic acid oligomers, in which no mismatch occurs.
ss Single Strand (Einzelstrang) ss Single Strand (single strand)
ds Double Strand (Doppelstrang) ds Double Strand (double strand)
redoxaktiv Bezeichnet die Eigenschaft einer Einheit unter bestimmten äu ßeren Umständen an ein geeignetes Oxidationsmittel Elektronen abzugeben oder von einem geeigneten Reduktionsmittel Elektronen aufzunehmen.redox-active Designates the property of a unit under certain external circumstances to donate electrons to a suitable oxidant or to take up electrons from a suitable reducing agent.
Linker, Spacer Molekulare Verbindung zwischen zwei Molekülen bzw. Linker, Spacer Molecular connection between two molecules or
zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül. In der Regel sind Linker als Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Hetero-Alkyl-, Hetero-Alkenyl- oder Hetero- Alkinylkette käuflich zu erwerben, wobei die Kette an zwei Stellen mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppen derivatisiert ist. Diese Gruppen bilden in einfachen/bekannten chemischen Reaktionen mit dem entsprechenden Reaktionspartner eine kovalente chemische Bindung aus. Die reaktiven Gruppen können auch photoaktivierbar sein, d.h. die reaktiven Gruppen werden erst durch Licht bestimmter oder beliebiger Wellenlänge aktiviert. Auch unspezifische nt, i.e. nicht zu anderen Basen komplementäre nt, können als Linker/Spacer verwendet werden, insbesondere bei der Anbindung von Sonden-Oligos an eine Oberfläche. between a surface atom, a surface molecule or a surface molecule group and another Molecule. As a rule, linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl chain, the chain being derivatized in two places with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partner. The reactive groups may also be photoactivatable, ie the reactive groups are activated only by light of specific or arbitrary wavelength. Nonspecific nt, ie, nt complementary to other bases, can also be used as linker / spacer, in particular in the case of the attachment of probe oligos to a surface.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen bereit umfassend die Schritte a) Bereitstellen einer modifizierten Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung wenigstens einer Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren besteht, wobei die Sonden-Nukleinsäureoligomere einen zu einem ersten Signal-Pin- Abschnitt von Signal-Nukleinsäureoligomeren komplementären Sonden-Pin- Abschnitt besitzen, The present invention provides a method of detecting nucleic acid oligomer hybridization events, comprising the steps of a) providing a modified surface, wherein the modification consists in the attachment of at least one type of probe nucleic acid oligomers, the probe nucleic acid oligomers forming a first signal pin Have a section of signal nucleic acid oligomers complementary probe pin section,
b) Bereitstellen wenigstens einer Art von Signal-Nukleinsäureoligomeren, wobeib) providing at least one type of signal nucleic acid oligomers, wherein
- die Signal-Nukleinsäureoligomere einen zu dem Sonden-Pin-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere komplementären ersten Signal-Pin- Abschnitt besitzen, the signal nucleic acid oligomers have a first signal pin section which is complementary to the probe pin section of the probe nucleic acid oligomers,
- die Signal-Nukleinsäureoligomere einen zu einem Target-Erkennungs- Abschnitt von Target-Nukleinsäureoligomeren komplementären Signal- Erkennungs-Abschnitt besitzen,  the signal nucleic acid oligomers have a signal recognition section that is complementary to a target recognition section of target nucleic acid oligomers,
- die Signal-Nukleinsäureoligomere einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin- Abschnitt besitzen, wobei die Hairpin-Struktur eine Schmelztemperatur TP,N aufweist, - der erste Signal-Pin-Abschnitt nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär ist, und the signal nucleic acid oligomers have a first and a second signal pin section complementary to one another to form a hairpin structure, the hairpin structure having a melting temperature T P , N , the first signal pin section is not complementary to the target nucleic acid oligomers, and
- die Signal-Nukleinsäureoligomere im Bereich des ersten Signal-Pin- Abschnitts mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert sind,  the signal nucleic acid oligomers in the region of the first signal pin section are modified with at least one redox-active detection label,
c) Bereitstellen einer Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren, c) providing a sample with target nucleic acid oligomers,
d) Bereitstellen einer Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, wobei die Reaktionslösung zumindest Nukleotide, wenigstens eine Art von Primer und wenigstens eine Art von Nukleinsäure- Polymerase mit Exonuklease-Aktivität enthält, d) providing a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution contains at least nucleotides, at least one type of primer and at least one type of nucleic acid polymerase with exonuclease activity,
e) Mischen der in Schritt d) bereitgestellten Reaktionslösung mit den in Schritt b) bereitgestellten Signal-Nukleinsäureoligomeren und der in Schritt c) bereitgestellten Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren, e) mixing the reaction solution provided in step d) with the signal nucleic acid oligomers provided in step b) and the sample provided in step c) with target nucleic acid oligomers,
f) Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere mittels Nukleinsäureamplifikation unter Bildung von Signal-Nukleinsäureoligomer-f) Amplification of the Target Nucleic Acid Oligomers by Nucleic Acid Amplification to Form Signal Nucleic Acid Oligomer
Teilstücken, Sections,
g) Inkontaktbringen des in Schritt f) erhaltenen Reaktionsgemisches mit der in Schritt a) bereitgestellten modifizierten Oberfläche, g) contacting the reaction mixture obtained in step f) with the modified surface provided in step a),
h) Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur TDET ^ TP|N, i) mehrfache Wiederholung der Schritte f) bis h), h) detection of the signal nucleic acid oligomer fragments formed by an electrochemical detection method at a temperature T DE T ^ T P | N , i) multiple repetition of steps f) to h),
k) Vergleich der verschiedenen in Schritt h) erhaltenen Werte umfasst. k) comparing the different values obtained in step h).
Der Begriff Hairpin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung für eine DANN- Sekundärstruktur verwendet, bei der durch intramolekulare Basenpaarungen eine Haarnadelstruktur gebildet wird. Ein Hairpin besteht aus einem doppelsträngigen Abschnitt, welcher vorliegend auch als „Doppelhelix-Abschnitt" oder „Pin" oder „Stern" bezeichnet wird und aus einem einzelsträngig vorliegenden Schleifenabschnitt, welcher vorliegend auch als„Loop" bezeichnet wird. The term hairpin is used in the context of the present invention for a DANN secondary structure in which a hairpin structure is formed by intramolecular base pairings. A hairpin consists of a double-stranded section, which in the present case is also referred to as a "double helix section" or "pin" or "star", and of a single-stranded loop section, which in the present case is also referred to as a "loop".
Die zur Ausbildung des Hairpins zueinander komplementären Abschnitte des Signal-Nukleinsäureoligomers, welche den doppelsträngigen Pin des Hairpins bilden, werden in der vorliegenden Erfindung als „erster und zweiter Signal-Pin- Abschnitt" bezeichnet. Der vorliegend verwendete Ausdruck„Sonden-Pin-Abschnitt" beschreibt einen zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt komplementären Abschnitt am Sonden-Nukleinsäureoligomer. The hairpin complementary sections of the signal nucleic acid oligomer forming the hairpin double-stranded pin are referred to in the present invention as "first and second signal pin sections." The term "probe pin section" as used herein. describes a portion complementary to the first signal pin portion on the probe nucleic acid oligomer.
Unter der Angabe„innerhalb der Hairpin-Struktur angeordnete" Sequenz-Abschnitte wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Sequenzabschnitte im Loop-Bereich des Hairpins und somit - bezogen auf den Einzelstrang - zwischen den zwei zur Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitten des entsprechenden Einzelstranges angeordnet sind. In the context of the present invention, the term "sequence sections arranged within the hairpin structure" is understood to mean that the sequence sections in the loop region of the hairpin and thus-in relation to the single strand-are complementary between the two to form a hairpin structure Signal pin sections of the corresponding single strand are arranged.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck „Signal-Erkennungs- Abschnitt" bezieht sich auf einen zu einem Abschnitt des Target- Nukleinsäureoligomers komplementären Abschnitt des Signal- Nukleinsäureoligomers und bezeichnet einen Sequenzabschnitt im Signal- Nukleinsäureoligomer, welcher aufgrund seiner komplementären Struktur beispielsweise mit einem spezifischen Sequenzabschnitt des Targets einen Doppelstrang ausbilden kann und so zur Erkennung eines nachzuweisenden Targets dient. In Analogie dazu wird vorliegend der entsprechende Abschnitt des Target-Nukleinsäureoligomers, welcher durch den Signal-Erkennungs-Abschnitt erkannt wird, mit„Target-Erkennungs-Abschnitt" bezeichnet. The term "signal recognition portion" as used in the present invention refers to a portion of the signal nucleic acid oligomer complementary to a portion of the target nucleic acid oligomer and denotes a sequence portion in the signal nucleic acid oligomer which, for example, has a specific sequence portion due to its complementary structure In analogy thereto, the corresponding section of the target nucleic acid oligomer which is recognized by the signal recognition section is referred to herein by the term "target recognition section".
Unter einer „weitgehend komplementären Struktur" werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Sequenzabschnitte verstanden, bei denen maximal 10% der Basenpaare Mismatches ausbilden. Bevorzugt handelt es sich bei einer „weitgehend komplementären Struktur" im Rahmen der vorliegenden Erfindung um Sequenzabschnitte, bei denen maximal 5% der Basenpaare Mismatches ausbilden. In the context of the present invention, a "substantially complementary structure" is understood as meaning sequence sections in which maximally 10% of the base pairs form mismatches. the base pairs form mismatches.
Von den erfindungsgemäß bereitgestellten Komponenten liegen unter Normalbedingungen die Signaloligonukleotide vorwiegend in einer Hairpin-Struktur vor, die Target-Nukleinsäureoligomere bilden einen Doppelstrang, die Primer liegen in der Regel einzelsträngig vor und die Nukleinsäure-Polymerase liegt für gewöhnlich ungebunden vor und weist keine Syntheseaktivität auf. Die Hairpin-Struktur der Signaloligonukleotide besitzt eine Schmelztemperatur ΤΡ,Ν. Unter der Schmelztemperatur einer Hairpin-Struktur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Temperatur verstanden, bei der 50% der Signaloligonukleotide als Hairpin und 50% der Signaloligonukleotide in offener Form vorliegen. Of the components provided according to the invention, the signal oligonucleotides are present predominantly in a hairpin structure under normal conditions, the target nucleic acid oligomers form a double strand, the primers are usually single-stranded and the nucleic acid polymerase is usually unbound and has no synthesis activity. The hairpin structure of the Signaloligonukleotide has a melting temperature Τ Ρ , Ν . In the context of the present invention, the melting temperature of a hairpin structure is understood to be the temperature at which 50% of the signal oligonucleotides are in the form of hairpin and 50% of the signal oligonucleotides are in open form.
Zum Start eines Amplifizierungszyklus werden sämtliche potentielle Hybride/Selbsthybride durch eine geeignete, dem Fachmann bekannte Maßnahme wie beispielsweise eine Temperaturerhöhung dissoziiert. Bei einer anschließenden Temperatursenkung hybridisieren die Primer an komplementäre Stellen der noch einzelsträngigen Targets an. Die Polymerase wiederum bindet im Bereich des 3"- OH-Endes der Primer an das Hybrid aus Primer und Target und beginnt mit der Verlängerung des Primers an dessen 3"-OH-Ende. Bei dieser Polymerisierung wird der vorliegende Einzelstrang des Targets als Matrize abgelesen und ein neuer Doppelstrang gebildet. To start an amplification cycle, all potential hybrids / self-hybrids are dissociated by a suitable measure known to the person skilled in the art, for example an increase in temperature. In a subsequent decrease in temperature, the primers hybridize to complementary sites of the still single-stranded targets. In turn, the polymerase binds to the hybrid of primer and target in the region of the 3 " - OH end of the primer and begins with the extension of the primer at its 3 " OH end. In this polymerization, the present single strand of the target is read as a template and a new double strand is formed.
Der Hairpin des Signaloligonukleotids verbleibt während der Temperaturabsenkung zumindest zum Teil in seiner offenen Form, der Signal-Erkennungs-Abschnitt hybridisiert an den entsprechenden Target-Erkennungs-Abschnitt der einzelsträngig vorliegenden Targets und bildet mit diesem einen Doppelstrang aus. The hairpin of the Signaloligonukleotids remains during the temperature reduction at least partially in its open form, the signal-recognition section hybridizes to the corresponding target recognition portion of the single-stranded targets and forms with this a double strand.
Da der erste Signal-Pin-Abschnitt des Signaloligonukleotids nicht zu den Target- Nukleinsäureoligomeren komplementär ist, hybridisiert dieser nicht mit den Target- Nukleinsäureoligomeren und liegt daher als vom Target abstehender Abschnitt vor. Gelangt nun die Polymerase während der Polymerisierung an eine Stelle des Targets, an der bereits der Signal-Erkennungs-Abschnitt eines Signaloligos gebunden ist, so schneidet das Enzym aufgrund seiner Exonukleaseaktivität den nicht an das Target hybridisierten ersten Signal-Pin-Abschnitt in einem Bereich nahe des hybridisierten Signal-Erkennungs-Abschnittes ab. Dadurch entsteht ein kurzes Signaloligonukleotid-Teilstück, an welches das redoxaktive Detektionslabel gebunden ist und das von einem verbleibenden Signal-Oligonukleotid-Rumpf getrennt ist, welcher wiederum den zweiten Signal-Pin-Abschnitt umfasst. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Signaloligonukleotid-Teilstücke sowohl vom 3' Ende wie auch vom 5' Ende des Signaloligonukleotids geschnitten werden können, da sich das redoxaktive Detektionslabel vollkommen gleichwertig im Bereich des 3' oder des 5' Endes befinden kann. Since the first signal pin portion of the signal oligonucleotide is not complementary to the target nucleic acid oligomers, it does not hybridize with the target nucleic acid oligomers and therefore exists as the target protruding portion. If the polymerase now arrives at a site of the target on which the signal recognition section of a signal oligos is already bound during the polymerization, the enzyme, because of its exonuclease activity, cuts the first signal pin section not hybridized to the target in a region of the hybridized signal recognition section. This results in a short signal oligonucleotide portion to which the redox-active detection label is bound and which is separated from a remaining signal oligonucleotide trunk, which in turn comprises the second signal pin portion. It should be noted here that the signal oligonucleotide cuts can be cut from both the 3 'end and the 5' end of the signal oligonucleotide because the redox-active detection label can be completely equivalent in the region of the 3 'or the 5' end.
Die so entstehenden, mit dem redoxaktiven Detektionslabel modifizierten Signaloligonukleotid-Teilstücke können aufgrund der Signal-Pin-Abschnitte an die dazu komplementären Sonden-Pin-Abschnitte der Sonden-Oligonukleotide und damit an die modifizierte Oberfläche binden. Die redoxaktiven Detektionslabel werden dabei zum elektrochemischen Nachweis von an die modifizierte Oberfläche (Elektroden) durch Hybridisierung mit den Sondenoligonukleotiden gebundenen Signaloligonukleotid-Teilstücken benutzt. Bei Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Teststelle wird ein dem Hybridisierungsgrad aus Sondenoligonukleotiden und gebundenen Signaloligonukleotid-Teilstücken entsprechender Strom gemessen. Dieses elektrisch detektierbare Signal ist bei einer Temperatur TDET ^ ΤΡ,Ν deutlich höher als das entsprechende Signal der ursprünglichen Signaloligonukleotide, da letztere in der Hairpin-Form nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil an die Sondenoligonukleotide gebunden werden. The resulting, with the redox-active detection label modified signal oligonucleotide sections can bind due to the signal pin sections to the complementary probe pin sections of the probe oligonucleotides and thus to the modified surface. The redox-active detection labels are used for the electrochemical detection of signal oligonucleotide segments bound to the modified surface (electrodes) by hybridization with the probe oligonucleotides. When a corresponding voltage is applied to the test site, a current corresponding to the degree of hybridization of probe oligonucleotides and bound signal oligonucleotide sections is measured. This electrically detectable signal is at a temperature T DE T ^ Τ Ρ , Ν significantly higher than the corresponding signal of the original signal oligonucleotides, since the latter are not or only to a very small extent bound to the probe oligonucleotides in the hairpin form.
Mit zunehmendem Fortgang der Nukleinsäure-Amplifikation läuft die Replikation der Target-Nukleinsäureoligomere unter Entstehung der Signaloligonukleotid-Teilstücke wiederholt ab und die Konzentration an freien Signaloligonukleotid-Teilstücken nimmt mit zunehmender Amplifizierung zu, was an der Teststelle nachvollzogen werden kann. Die Konzentrationszunahme führt an einer mit Sonden- Nukleinsäureoligomeren belegten Teststelle zu einer - im Vergleich zur Messung bei Zyklus 0 - deutlich beschleunigten Anhybridisierung der Signaloligo-Teilstücke und damit zu einer Zunahme des detektierten elektrochemischen Signals. As the nucleic acid amplification progresses, the replication of the target nucleic acid oligomers proceeds repeatedly to form the signal oligonucleotide portions, and the concentration of free signal oligonucleotide portions increases with increasing amplification, which can be understood at the test site. The increase in concentration leads to an occupied with probe nucleic acid oligomers test site to a - compared to the measurement at cycle 0 - significantly accelerated Anhybridisierung the Signaloligo sections and thus to an increase in the detected electrochemical signal.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine Methode zur Verfügung, mit der der Fortgang einer Real-Time Nukleinsäure-Amplifikation über eine Zunahme des elektrochemisch detektierten Signals ausgehend von einem im Wesentlich bei Null liegenden Signal verfolgt werden kann. Das elektrochemisch detektierte Signal nimmt proportional zur Zahl der Target-Nukleinsäureoligomere zu. Damit ist der Nachweis geringster Mengen an Target-Nukleinsäureoligomeren möglich. Bevorzugt sind die Signal-Nukleinsäureoligomere mit mehreren Detektionslabel modifiziert, wodurch Signale mit höherer Intensität erhalten werden. Erfindungsgemäß wird als Detektionslabel eine redoxaktive Substanz verwendet. Die Signal-Nukleinsäureoligomere weisen bevorzugt 10 bis 200 Basen, insbesondere 20 bis 100 Basen, besonders bevorzugt 25 bis 70 Basen auf. Mit Hilfe von Signal-Nukleinsäureoligomeren dieser Länge können alle gewünschten Targets eindeutig identifiziert werden. Erfindungsgemäß wird die Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere und die Detektion der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke mehrfach wiederholt, wodurch die Bestimmung der Zunahme der Signalintensität mit der Zeit im Laufe der Amplifikation der Target-Nukleinsäureoligomere ermöglicht wird. Die Konzentration der Signal-Nukleinsäureoligomere in dem in Schritt e) hergestellten Gemisch beträgt bevorzugt zwischen 10~15 mol/l und 10~5 mol/l, besonders bevorzugt zwischen 10~13 mol/l und 10~7 mol/l und insbesondere bevorzugt zwischen 10~11 mol/l und 10~7 mol/l. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzen die Signal-Nukleinsäureoligomere zusätzlich zumindest einen Signal-Dock- Abschnitt, und die Sonden-Nukleinsäureoligomere zusätzlich einen zu dem Signal- Dock-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere komplementären Sonden-Dock- Abschnitt, wobei der Signal-Dock-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Sonden-Dock-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere benachbart zu dem Sonden-Pin-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere angeordnet. Insbesondere bevorzugt ist der Signal-Dock-Abschnitt der Signal- Nukleinsäureoligomere nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär. The method according to the invention thus provides a method with which the progress of a real-time nucleic acid amplification can be monitored by an increase of the electrochemically detected signal, starting from a substantially zero signal. The electrochemically detected signal increases in proportion to the number of target nucleic acid oligomers. This makes it possible to detect the smallest amounts of target nucleic acid oligomers. Preferably, the signal nucleic acid oligomers are modified with multiple detection labels, thereby obtaining higher intensity signals. According to the invention, the detection label used is a redox-active substance. The signal nucleic acid oligomers preferably have 10 to 200 bases, in particular 20 to 100 bases, particularly preferably 25 to 70 bases. With the help of signal nucleic acid oligomers of this length, all desired targets can be uniquely identified. According to the invention, the amplification of the target nucleic acid oligomers and the detection of the signal nucleic acid oligomer sections are repeated several times, thereby enabling the determination of the increase in signal intensity over time in the course of the amplification of the target nucleic acid oligomers. The concentration of the signal nucleic acid oligomers in the mixture prepared in step e) is preferably between 10 ~ 15 mol / l and 10 ~ 5 mol / l, more preferably between 10 ~ 13 mol / l and 10 ~ 7 mol / l and particularly preferred between 10 ~ 11 mol / l and 10 ~ 7 mol / l. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the signal nucleic acid oligomers additionally have at least one signal docking section, and the probe nucleic acid oligomers additionally have a probe dock section which is complementary to the signal docking section of the signal nucleic acid oligomers, wherein the signal Dock portion of the signal nucleic acid oligomers adjacent to the first signal pin portion is arranged. More preferably, the probe dock portion of the probe nucleic acid oligomers is located adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomers. Most preferably, the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers.
Der Signal-Dock-Abschnitt des Signal-Nukleinsäureoligomers befindet sich benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt, welcher mit dem redoxaktiven Detektionslabel versehen ist. Der Sonden-Dock-Abschnitt wiederum ist benachbart zu dem Sonden-Pin-Abschnitt des Sonden-Nukleinsäureoligomers. Im Falle eines nicht zum Target komplementären Signal-Dock-Abschnitts bleibt dieser auch bei einer Anhybridisierung des Signal-Erkennungs-Abschnittes an das Target zusammen mit dem ersten Signal-Pin-Abschnitt ungebunden und liegt im Wesentlichen vom Target „abstehend" vor. Dadurch wird sichergestellt, dass in einem mittels der Amplifizierungsreaktion entstehenden Signal- Nukleinsäureoligomer-Teilstück neben dem ersten Signal-Pin-Abschnitt auch der Signal-Dock-Abschnitt enthalten ist. Das Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück ist somit um den Signal-Dock-Abschnitt verlängert. Da der Signal-Dock-Abschnitt komplementär zu dem Sonden-Dock-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere ist, ist der potentielle Hybridisierungsbereich zwischen Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück und Sonden-Nukleinsäureoligomer verlängert. Durch diese zusätzlich vorhandenen Signal-Dock- und Sonden-Dock- Abschnitte wird eine schnellere und beständigere Bindung der nachfolgend gebildeten Signaloligonukleotid-Teilstücke an die Sonden-Nukleinsäureoligomere bewirkt und somit die Detektionsgenauigkeit erhöht. The signal docking portion of the signal nucleic acid oligomer is adjacent to the first signal pin portion which is provided with the redox active detection label. In turn, the probe dock portion is adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomer. In the case of a signal-to-docking section that is not complementary to the target, the latter remains unbound even when the signal recognition section is hybridized to the target together with the first signal pin section, and is substantially "projecting" from the target It is ensured that the signal-nucleic acid oligomer section is thus extended around the signal dock section in addition to the first signal pin section in a signal nucleic acid oligomer section formed by means of the amplification reaction the signal docking portion is complementary to the probe docking portion of the probe nucleic acid oligomers, the potential hybridization region between signal nucleic acid oligomer portion and probe nucleic acid oligomer is extended by these additional signal dock and probe dock portions becomes a faster and more stable binding of subsequently formed signal olig causes onukleotid sections of the probe nucleic acid oligomers and thus increases the detection accuracy.
Die Tatsache, dass der Signal-Dock-Abschnitt nicht zum Target komplementär ist, erweist sich auch aus einem anderen Grund als vorteilhaft. Zum Target komplementäre Signal-Dock-Abschnitte könnten an die einsträngig vorliegenden Target-Nukleinsäureoligomere binden. Da die Signaloligonukleotid-Teilstücke aber durch Bindung an die Sonden-Nukleinsäureoligomere elektrochemisch detektiert werden sollen, ist eine Bindung an die Target-Nukleinsäureoligomere unerwünscht und wird vorteilhafterweise vermieden. The fact that the signal dock portion is not complementary to the target also proves advantageous for another reason. Target-complementary signal docking portions could bind to the single-stranded target nucleic acid oligomers. However, since the signal oligonucleotide sections are to be detected electrochemically by binding to the probe nucleic acid oligomers, binding to the target nucleic acid oligomers is undesirable and is advantageously avoided.
Besonders vorteilhaft stellt der Signal-Dock-Abschnitt eine Variable dar, die den Signal-Erkennungs-Abschnitt der Signal-Nukleisäureoligomere codiert. So können beispielsweise definierte Signal-Dock-Abschnitte in vorgegebener Weise mit einem spezifischen Signal-Erkennungs-Abschnitt gekoppelt werden, so dass eine bestimmte Sequenz des Signal-Dock-Abschnittes einer ganz bestimmten Target- Sequenz entspricht. Most preferably, the signal docking portion is a variable encoding the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers. Thus, for example, defined signal dock sections can be coupled in a predetermined manner with a specific signal detection section, so that a specific sequence of the signal dock section corresponds to a specific target sequence.
Eine parallele Detektion verschiedener Targets mit Hilfe eines DNA-Chips kann auf diese Weise besonders einfach durchgeführt werden. Es muss dazu lediglich eine entsprechende Anzahl verschiedener Sequenzen als Signal-Dock-Abschnitte der Signal-Nukleinsäureoligomere eingesetzt werden. Auf einem DNA-Chip, welcher an verschiedenen Bereichen Sonden-Nukleinsäureoligomere mit einer Anzahl entsprechend unterschiedlicher Sonden-Dock-Abschnitte aufweist, können unterschiedliche Targets detektiert werden. Werden verschiedene Targets in getrennten Experimenten detektiert, so kann dieselbe Sequenz des Signal-Dock- Abschnittes der Signal-Nukleinsäureoligomere in den verschiedenen Ansätzen verwendet werden. Bevorzugt sind die Signal-Nukleinsäureoligomere im Bereich des ersten Signal-Pin- Abschnitts und/oder im Bereich des benachbart zu dem Signal-Pin-Abschnitt angeordneten Abschnitts mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert. Falls die Signal-Nukleinsäureoligomere zusätzlich einen Signal-Dock- Abschnitt- aufweisen, der benachbart zum ersten Signal-Pin-Abschnitt angeordnet ist, kann das redoxaktive Detektionslabel gleichwertig an einen der beiden genannten Abschnitte gebunden sein. Nach Bildung der kurzen Signaloligonukleotid-Teilstücke durch die Polymerase mit Exonukleaseaktivität sind beide genannten Abschnitte Bestandteil der Signaloligonukleotid-Teilstücke, die nachfolgend an die Sonden-Nukleinsäureoligomere hybridisieren und so detektiert werden. A parallel detection of different targets using a DNA chip can be carried out in this way very easily. It just has to be one corresponding number of different sequences can be used as signal docking sections of the signal nucleic acid oligomers. Different targets can be detected on a DNA chip which has probe nucleic acid oligomers with a number of correspondingly different probe dock sections at different areas. If different targets are detected in separate experiments, the same sequence of the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomers can be used in the different approaches. The signal nucleic acid oligomers are preferably modified in the region of the first signal pin section and / or in the region of the section arranged adjacent to the signal pin section with at least one redox-active detection label. In addition, if the signal nucleic acid oligomers have a signal dock portion located adjacent to the first signal pin portion, the redox active detection label may be equally bound to one of the two portions. After formation of the short signal oligonucleotide sections by the polymerase with exonuclease activity, both sections mentioned are part of the signal oligonucleotide sections which subsequently hybridize to the probe nucleic acid oligomers and thus be detected.
In Abhängigkeit der Nukleotidsequenz und der Basenlänge der beiden genannten Abschnitte kann beispielsweise aus sterischen Gründen oder aus Gründen der Kopplungschemie einer der beiden genannten Abschnitte besser für die Modifizierung geeignet sein als der andere. Je nach Anwendungsart und je nach Art der Signal-Nukleinsäureoligomere kann die optimale Wahl zur Modifikation getroffen werden. Depending on the nucleotide sequence and the base length of the two sections mentioned, for steric reasons or for reasons of coupling chemistry, one of the two mentioned sections may be better suited for the modification than the other. Depending on the application and depending on the type of signal nucleic acid oligomers, the optimal choice for modification can be made.
Zur Sensitivitätserhöhung können einer der beiden genannten Abschnitte oder auch beide Abschnitte mit mehreren Detektionslabel modifiziert sein. To increase the sensitivity of one of the two sections mentioned or even both sections may be modified with several detection label.
Besonders bevorzugt weisen die zwei Signal-Pin-Abschnitte der Signal- Nukleinsäureoligomere jeweils 4 bis 10 Basen, bevorzugt 5 bis 8 Basen auf. Die genannte Zahl an Basen stellt zum einen sicher, dass unter Normalbedingungen der weit überwiegende Teil der Signal-Nukleinsäureoligomere als Hairpin vorliegt, und zum anderen, dass die Schmelztemperatur des Hairpins im Bereich der bei der Nukleinsäureamplifikation angewendeten Temperaturen liegt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Signal-Erkennungs-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere innerhalb des Loop-Bereichs der Hairpin-Struktur zwischen den Signal-Pin-Abschnitten angeordnet. Besonders vorteilhaft ist der Signal-Erkennungsabschnitt im loop- Bereich des Hairpins angeordnet. Für den Loop-Bereich eines Hairpins bestehen sowohl bezogen auf die Basenlänge als auch auf die Basenabfolge größere Variationsmöglichkeiten, wodurch ganz unterschiedliche und spezifische Signal- Erkennungs-Abschnitte in unterschiedlichen Längen in den Loop-Bereich integriert werden können. Particularly preferably, the two signal-pin sections of the signal nucleic acid oligomers each have 4 to 10 bases, preferably 5 to 8 bases. The stated number of bases ensures, on the one hand, that under normal conditions the predominant part of the signal nucleic acid oligomers is present as a hairpin, and secondly that the melting temperature of the hairpin is in the range of the temperatures used in the nucleic acid amplification. According to another preferred embodiment of the present invention, the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers is disposed within the loop portion of the hairpin structure between the signal pin portions. Particularly advantageously, the signal recognition section is arranged in the loop area of the hairpin. For the loop area of a hairpin, both the base length and the base sequence offer greater possibilities of variation, as a result of which very different and specific signal recognition sections in different lengths can be integrated into the loop area.
Zwar ist eine Bindung der Signal-Nukleinsäureoligomere an das Target in ihrer offenkettigen Form erwünscht, da besonders in diesem Fall die Polymerase in reproduzierbarem Ausmaß Signaloligonukleotid-Teilstücke bildet, jedoch findet sich ein weiterer Vorteil der genannten Ausführungsform darin, dass der Loop-Bereich immer einzelsträngig ist und daher eine Bindung des Signal-Oligomers an das Target auch dann möglich ist, wenn das Signal-Oligomer als Hairpin vorliegt. Dies gilt nur bei Vernachlässigung sterischer Hinderungsgründe. Je nach Platzierung der Erkennunssequenz innerhalb des Loops ist ein korrektes Schneiden durch die Exonukleaseaktivität der Polymerase während der Amplifizierung auch im Fall eines Hybrids aus Hairpin und Target denkbar. Spätestens bei einem darauffolgenden Denaturierungsschritt zerfällt der Pin-Abschnitt des Hairpins, wodurch das Signal- Nukleinsäureoligomer-Teilstück freigesetzt wird und für eine Detektion an der modifizierten Oberfläche zur Verfügung steht. Although binding of the signal nucleic acid oligomers to the target in its open-chain form is desirable, since in this case the polymerase forms signal oligonucleotide segments to a reproducible extent, however, a further advantage of said embodiment is that the loop region is always single-stranded and, therefore, binding of the signal oligomer to the target is possible even when the signal oligomer is hairpin. This applies only if neglecting steric hindrance. Depending on the placement of the recognition sequence within the loop, correct cleavage by the exonuclease activity of the polymerase during amplification is also conceivable in the case of a hybrid of hairpin and target. At the latest in a subsequent denaturation step, the pin portion of the hairpin disintegrates, releasing the signal nucleic acid oligomer portion and being available for detection at the modified surface.
Bevorzugt ist der zweite Signal-Pin-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär. Da gemäß der genannten Ausführungsform der zweite Signal-Pin-Abschnitt der Signal- Nukleinsäureoligomere nicht komplementär zur Targetsequenz ist, kann die Polymerase vorteilhafterweise nicht an das Signaloligo andocken und von da aus den Strang verlängern, was zu unerwünschten Nebenprodukten führen könnte. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, gemäß denen das freie Ende des zweiten Signal-Pin-Abschnitts der Signal-Nukleinsäureoligomere durch ein Nukleotid gebildet wird, das ein invertiertes Nukleosid oder ein di-desoxy-Nukleosid aufweist. Besonders vorteilhaft wird gemäß dieser Ausführungsform eine Kettenverlängerung am Signal-Nukleinsäureoligomer verhindert und dadurch die Bildung unerwünschter Nebenprodukte vermieden. Preferably, the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers. Since, according to the said embodiment, the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target sequence, the polymerase advantageously can not dock to the signal oligo and from there extend the strand, which could lead to undesirable by-products. Also preferred are embodiments according to which the free end of the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is formed by a nucleotide having an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside. Particularly advantageous according to this embodiment, a chain extension on the signal nucleic acid oligomer is prevented, thereby avoiding the formation of undesirable by-products.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Sonden-Nukleinsäureoligomere in ihren Sonden-Pin-Abschnitten und/oder in ihren Sonden-Dock-Abschnitten zumindest ein Nukleotid auf, das nicht komplementär zu den entsprechenden Signal-Pin-Abschnitten und Signal-Dock- Abschnitten der Signal-Nukleinsäureoligomere oder der Signal- Nukleinsäureoligomer-Teilstücke ist. According to a further preferred embodiment of the present invention, the probe nucleic acid oligomers in their probe pin sections and / or in their probe dock sections have at least one nucleotide that is not complementary to the corresponding signal pin sections and signal dock Is sections of the signal nucleic acid oligomers or the signal nucleic acid oligomer sections.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bindung der Signaloligonukleotid- Teilstücke an die Sondenoligonukleotide detektiert. Ein störendes Hintergrundsignal kann sich dadurch ergeben, dass Hairpin-Signaloligonukleotide an die Sondenoligonukleotide binden. Eine bessere Unterscheidung zwischen Signaloligonukleotid-Teilstücken und Hairpin-Signaloligonukleotiden kann dadurch erzielt werden, dass die Sondenoligonukleotide in dem/den Sonden-Pin- und Sonden-Dock-Abschnitt/Abschnitten eine, zwei oder mehrere Basen enthalten, die nicht komplementär zu den entsprechenden Signal-Pin- und Signal-Dock- Abschnitten des Signaloligonukleotids sind. Aufgrund dieser so genannten Mismatches entsteht bei Anbindung von Hairpin-Signaloligonukleotiden und Signaloligonukleotid-Teilstücken an diesen Basen ein sogenanntes„Gap", das sich stark negativ auf die Anhybridisierung von Hairpin-Signaloligonukleotiden auswirkt, aber nur wenig negativ auf die Anhybridisierung von Signaloligonukleotid- Teilstücken. Damit wird die Bindungskonstante der Hairpin-Signaloligonukleotide an die Sondenoligonukleotide deutlich stärker herabgesetzt als die Bindungskonstante der Signaloligonukleotid-Teilstücke an die Sondenoligonukleotide, wodurch sich ein verstärkter Unterschied zwischen den entsprechenden Signalintensitäten ergibt. Ein entsprechendes Diskriminierungs-erhöhendes Verhalten an der Sonde lässt sich auch erzielen, wenn die Sonde in dem/den zu den Signaloligonukleotiden komplementären Bereich/Bereichen um eine, zwei oder mehrere Basen kürzer ist als der entsprechende Bereich des Hairpin-Signaloligonukleotids oder Signaloligonukleotid-Teilstücks. In the method according to the invention, the binding of the signal oligonucleotide sections to the probe oligonucleotides is detected. An interfering background signal can result from the fact that hairpin signal oligonucleotides bind to the probe oligonucleotides. A better discrimination between signal oligonucleotide sections and hairpin signal oligonucleotides can be achieved by having the probe oligonucleotides in the probe pin and probe dock section (s) contain one, two or more bases that are not complementary to the corresponding signal Pin and signal docking portions of the Signaloligonukleotids are. Due to these so-called mismatches, when hairpin signal oligonucleotides and signal oligonucleotide segments are attached to these bases, a so-called "gap" is produced, which has a great negative effect on the hybridization of hairpin signal oligonucleotides, but has little negative effect on the hybridization of signal oligonucleotide segments. Thus, the binding constant of the hairpin signal oligonucleotides to the probe oligonucleotides is significantly more reduced than the binding constant of the signal oligonucleotide portions to the probe oligonucleotides, resulting in an increased difference between the corresponding signal intensities. A corresponding discrimination-enhancing behavior at the probe can also be achieved if the probe in the region (s) complementary to the signal oligonucleotides is one, two or more bases shorter than the corresponding region of the hairpin signal oligonucleotide or signal oligonucleotide segment.
Bevorzugt erfolgt die Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer- Teilstücke in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur TDET zwischen 20 'C und 60 'C, bevorzugt zwischen 30 'C und 50 °C. Bei den genannten Temperaturen ist eine besonders genaue und reproduzierbare Detektion der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke möglich. Preferably, the detection of the signal nucleic acid oligomer cuts formed in the method according to the invention by an electrochemical detection method at a temperature T DET between 20 'C and 60' C, preferably between 30 'C and 50 ° C. At the temperatures mentioned, a particularly accurate and reproducible detection of the signal nucleic acid oligomer sections is possible.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere durch eine PCR oder durch eine isothermale Amplifikation. Insbesondere die PCR stellt eine etablierte Methode dar, durch die eine weitestgehend fehlerfreie Amplifikation der Target- Nukleinsäureoligomere sichergestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Signal-Nukleinsäureoligomer zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Signal- Nukleinsäureoligomer einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementäre Signal-Pin-Abschnitt aufweist und das Signal-Nukleinsäureoligomer im Bereich der zwei unter Ausbildung einer Hairpin- Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitte mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert ist. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the amplification of the target nucleic acid oligomers is carried out by a PCR or by an isothermal amplification. In particular, the PCR represents an established method by which a largely error-free amplification of the target nucleic acid oligomers can be ensured. The present invention also encompasses a signal nucleic acid oligomer for use in a method according to the invention, wherein the signal nucleic acid oligomer has a first and a second signal pin section complementary to each other to form a hairpin structure and the signal nucleic acid oligomer in the range of two Forming a hairpin structure to each other complementary signal pin sections is modified with at least one redox-active detection label.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem einen Kit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend eine oben beschriebene modifizierte Oberfläche, eine effektive Menge an Signal-Nukleinsäureoligomeren wie sie oben beschrieben sind und eine Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, wobei die Reaktionslösung zumindest Nukleotide, Primer und wenigstens eine Art von Nukleinsäure-Polymerase mit Exonuklease-Aktivität enthält. Die leitfähige Oberfläche Mit dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird jedes elektrisch leitfähige Trägermaterial bezeichnet, das geeignet ist direkt oder nach entsprechender chemischer Modifizierung derivatisierte oder nicht-derivatisierte Sonden- Nukleinsäureoligomere kovalent oder über andere spezifische Wechselwirkungen zu binden. The present invention also encompasses a kit for carrying out a method according to the invention comprising a modified surface as described above, an effective amount of signal nucleic acid oligomers as described above and a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution comprises at least nucleotides, primers and at least one species of nucleic acid polymerase having exonuclease activity. The Conductive Surface The term "conductive surface" refers to any electrically conductive substrate capable of covalently or by other specific interactions binding derivatized or non-derivatized probe nucleic acid oligomers directly or after appropriate chemical modification.
Es kann jeder Träger mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche beliebiger Dicke eingesetzt werden insbesondere Oberflächen aus Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium und Mangan. Besonders bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine mit Gold beschichtete Oberfläche verwendet. Any carrier with an electrically conductive surface of any thickness can be used, in particular surfaces of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese. Particularly preferred in the context of the present invention, a gold-coated surface is used.
Daneben können auch beliebige dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen beliebiger Dicke verwendet werden. Sämtliche Halbleiter können als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden. Als Beispiele seien an dieser Stelle Kohlenstoff, Silizium, Germanium, -Zinn, Cu(l)- und Ag(l)-Halogenide beliebiger Kristallstruktur genannt. Geeignet sind ebenfalls sämtliche binären Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 14 und 16, den Elementen der Gruppen 13 und 15, sowie den Elementen der Gruppen 15 und 16. Daneben können ternäre Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 1 1 , 13 und 16 oder den Elementen der Gruppen 12, 13 und 16 verwendet werden. Die Bezeichnungen der Gruppen des Periodensystems der Elemente beziehen sich auf die lUPAC-Empfehlung von 1985. In addition, any doped or non-doped semiconductor surfaces of any thickness can be used. All semiconductors can be used as pure substances or as mixtures. Examples which may be mentioned here are carbon, silicon, germanium, tin, Cu (I) and Ag (I) halides of any desired crystal structure. Also suitable are all binary compounds of any composition and any structure of the elements of groups 14 and 16, the elements of groups 13 and 15, and the elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds of any composition and any structure of the elements of Groups 1 1, 13 and 16 or the elements of groups 12, 13 and 16 are used. The names of the groups of the Periodic Table of the Elements refer to the 1985 IUPAC Recommendation.
Bindung von Nukleinsäureoligomeren an die Oberfläche Binding of nucleic acid oligomers to the surface
Verfahren zur Immobilisierung von Nukleinsäureoligomeren an einer Oberfläche sind dem Fachmann bekannt. Die Sonden-Nukleinsäureoligomere können z.B. kovalent über Hydroxyl-, Epoxid-, Amino- oder Carboxygruppen des Trägermaterials mit natürlicherweise am Nukleinsäureoligomer vorhandenen oder durch Derivatisierung am Sonden-Nukleinsäureoligomer angebrachten Hydroxy-, Amino- oder Carboxylgruppen an die Oberfläche gebunden werden. Alternativ können Thiol-modifizierte Sonden-Nukleinsäureoligomere chemisorptiv an z.B. Goldoberflächen gebunden werden. Das Sonden-Nukleinsäureoligomer kann direkt oder über einen Linker/Spacer an die Oberflächenatome oder -molekülen einer Oberfläche gebunden werden. Daneben kann das Sonden-Nukleinsäureoligomer durch die bei Immunoassays üblichen Methoden verankert werden wie z.B. durch Verwendung von biotinylierten Sonden-Nukleinsäureoligomeren zur nicht- kovalenten Immobilisierung an Avidin oder Streptavidin-modifizierten Oberflächen. Die chemische Modifikation der Sonden-Nukleinsäureoligomere mit einer Oberflächen-Ankergruppe kann bereits im Verlauf der automatisierten Festphasensynthese oder aber in gesonderten Reaktionsschritten eingeführt werden. Dabei wird auch das Nukleinsäureoligomer direkt oder über einen Linker/Spacer mit den Oberflächenatomen oder -molekülen einer Oberfläche der oben beschriebenen Art verknüpft. Diese Bindung kann auf verschiedene dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die WO 00/42217 A1 verwiesen. Methods for immobilizing nucleic acid oligomers on a surface are known to those skilled in the art. The probe nucleic acid oligomers may, for example covalently bound to the surface via hydroxyl, epoxide, amino or carboxy groups of the support material with hydroxy, amino or carboxyl groups naturally present on the nucleic acid oligomer or attached by derivatization to the probe nucleic acid oligomer. Alternatively, thiol-modified probe nucleic acid oligomers can be chemisorptively bound to eg gold surfaces. The probe nucleic acid oligomer can be bound directly or via a linker / spacer to the surface atoms or molecules of a surface. In addition, the probe nucleic acid oligomer can be anchored by the methods customary in immunoassays, for example by using biotinylated probe nucleic acid oligomers for noncovalent immobilization on avidin or streptavidin-modified surfaces. The chemical modification of the probe nucleic acid oligomers with a surface anchor group can already be introduced in the course of the automated solid-phase synthesis or in separate reaction steps. In this case, the nucleic acid oligomer is linked directly or via a linker / spacer with the surface atoms or molecules of a surface of the type described above. This binding can be carried out in various ways known to those skilled in the art. In this context, reference is made to WO 00/42217 A1.
Daneben ist eine Sondenimmobilisierung auf einem DNA-Chip in P. Liepold, T. Kratzmüller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, S. 1759- 1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practica! Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis detailliert beschrieben. In addition, probe immobilization on a DNA chip is described in P. Liepold, T. Kratzmuller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, pp. 1759-1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practica! Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis is described in detail.
Sonden-, Target- und Signal-Nukleinsäureoligomere Probe, target and signal nucleic acid oligomers
Die Sonden-Nukleinsäureoligomere der vorliegenden Erfindung bestehen aus Nukleotiden in einer bestimmten Nukleotidabfolge (Sequenz) und liegen an einer Oberfläche immobilisiert vor. Als Target-Nukleinsäureoligomere werden Moleküle bezeichnet, die spezifisch mit den Signal-Nukleinsäureoligomeren unter Ausbildung eines Doppelstrang-Hybrids wechselwirken. Target-Nukleinsäureoligomere im Sinne der vorliegenden Erfindung sind also Nukleinsäureoligomere, die als Komplexbindungspartner des komplementären Signal-Nukleinsäureoligomers fungieren. Die Target-Nukleinsäureoligomere, deren Vorhandensein anhand der vorliegenden Erfindung detektiert werden soll, weisen zumindest einen Sequenzbereich auf, dessen Sequenz komplementär oder zumindest weitgehend komplementär zu einem Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere ist. The probe nucleic acid oligomers of the present invention consist of nucleotides in a particular nucleotide sequence (sequence) and are immobilized on a surface. Target nucleic acid oligomers are defined as molecules that are specifically formed with the signal nucleic acid oligomers of a double-stranded hybrid interact. Target nucleic acid oligomers within the meaning of the present invention are therefore nucleic acid oligomers which function as complex binding partners of the complementary signal nucleic acid oligomer. The target nucleic acid oligomers whose presence is to be detected by the present invention have at least one sequence region whose sequence is complementary or at least substantially complementary to a portion of the signal nucleic acid oligomers.
Als Nukleinsäureoligomer oder ns-Oligomer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Nukleotiden oder aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Pyrimidin- (z.B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z.B. Adenin oder Guanin), bevorzugt ein DNA-, RNA- oder PNA-Fragment, verwendet. Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z.B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid- Rückgrat der PNA oder auf analoge Rückgrat-Strukturen, wie z.B. ein Thio- Phosphat-, ein Dithio-Phosphat- oder ein Phosphoramid-Rückgrat. Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die sequenzspezifische Bindung natürlich vorkommender DNA, oder RNA bzw. daraus abgeleitete (transkribierte oder amplifizierte) Strukturen wie cDNA oder amplifizierte cDNA oder amplifizierte RNA (aRNA). In the context of the present invention, a nucleic acid oligomer or ns-oligomer is a compound of at least two covalently linked nucleotides or of at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine), preferably a DNA , RNA or PNA fragment. The term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, e.g. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous backbone structures, such as e.g. a thio-phosphate, a dithio-phosphate or a phosphoramide backbone. An essential feature of a nucleic acid according to the present invention is the sequence-specific binding of naturally occurring DNA, or RNA or derived (transcribed or amplified) structures such as cDNA or amplified cDNA or amplified RNA (aRNA).
Bei den Signal-Nukleinsäureoligomeren im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich um Nukleinsäure-Hairpinstrukturen. Hairpins sind eine spezielle Form von Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren und entstehen dadurch, dass ein Sequenzabschnitt eines einzelsträngigen DNA- oder RNA-Moleküls mittels einer „Schleifenbildung" auf einen komplementären Bereich im selben Molekül unter Ausbildung eines kleinen doppelsträngigen Abschnitts zurückfalten kann. Bei Normalbedingungen ist die Bildung von Hairpins in entsprechenden Nukleinsäuremolekülen thermodynamisch begünstigt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Hairpins immer zu einem gewissen Anteil in der geschlossenen Form, also der Hairpin-Form und zu einem gewissen Anteil in der offenen, also einzelsträngigen Form vorliegen, es stellt sich ein thermodynamisches Gleichgeweicht ein. Das Verhältnis von geschlossener zu offener Form wird beispielsweise durch die Temperatur beeinflusst, so liegen zum Beispiel bei der Schmelztemperatur TP|N jeweils die Hälfte der Moleküle geschlossen bzw. offen vor. Die Schmelztemperatur selbst hängt wiederum von der Sequenz der den Pin bzw. Stern ausbildenden komplementären Abschnitte, von deren GC-Gehalt, deren Länge und dergleichen ab. The signal nucleic acid oligomers in the context of the present invention are nucleic acid hairpin structures. Hairpins are a special form of secondary structure of nucleic acids and result from the fact that a sequence segment of a single-stranded DNA or RNA molecule can fold back onto a complementary region within the same molecule to form a small double-stranded segment It should be noted at this point that hairpins always exist to a certain extent in the closed form, ie the hairpin form and to a certain extent in the open, ie single-stranded form, it turns out a thermodynamic equilibrium.The ratio of closed to open form becomes For example, influenced by the temperature, for example, at the melting temperature T P | N each half of the molecules closed or open before. The melting temperature itself, in turn, depends on the sequence of the complementary sections forming the pin or star, their GC content, their length and the like.
Detektions-Label / Markierung (Markermolekül) Die Signal-Nukleinsäureoligomere sind durch Derivatisierung mit einem oder mehreren detektierbaren redoxaktiven Substanzen als Label ausgestattet. Dieses Label ermöglicht die Detektion der Komplexierungsereignisse zwischen den in dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücken und den oberflächengebundenen Sonden-Nukleinsäureoligomeren. Detection Label / Label (Marker Molecule) The signal nucleic acid oligomers are labeled by derivatization with one or more detectable redox-active substances. This label enables the detection of the complexing events between the signal nucleic acid oligomer sections formed in the method according to the invention and the surface-bound probe nucleic acid oligomers.
Als Redoxlabel können Übergangsmetall-Komplexe, insbesondere solche des Kupfers, Eisens, Rutheniums, Osmiums oder Titans mit Liganden wie Pyridin, 4,7- Dimethylphenanthrolin, 9,10-Phenanthrenquinondiimin, Porphyrine und substituierte Porphyrin-Derivate verwendet werden. Daneben ist der Einsatz von Riboflavin, von Chinonen wie Pyrrollochinolinochinon, Ubichinon, Anthrachinon, Naphtochinon oder Menachinon bzw. Derivaten davon, von Metallocenen und Metallocenderivaten wie Ferrocenen und Ferrocenderivaten, Cobaltocenen und Cobaltocenderivaten, von Porphyrinen, Methylenblau, Daunomycin, Dopamin-Derivaten, Hydrochinon- Derivaten (para- oder ortho-Dihydroxy-Benzol-Derivaten, para- oder ortho- Dihydroxy-Anthrachinon-Derivaten, para- oder ortho-Dihydroxy-Naphtochinon- Derivaten) und ähnlichen Verbindungen möglich. Besonders bevorzugt wird Ferrocen oder ein Ferrocen-Derivat als redoxaktives Label eingesetzt. As a redox label transition metal complexes, in particular those of copper, iron, ruthenium, osmium or titanium with ligands such as pyridine, 4,7-dimethylphenanthroline, 9,10-phenanthrenquinonediimine, porphyrins and substituted porphyrin derivatives can be used. In addition, the use of riboflavin, of quinones such as pyrroloquinolinequinone, ubiquinone, anthraquinone, naphthoquinone or menaquinone or derivatives thereof, of metallocenes and metallocene derivatives such as ferrocenes and ferrocene derivatives, cobaltocenes and cobaltocene derivatives, of porphyrins, methylene blue, daunomycin, dopamine derivatives, hydroquinone Derivatives (para- or ortho-dihydroxy-benzene derivatives, para- or ortho-dihydroxy-anthraquinone derivatives, para- or ortho-dihydroxy-naphthoquinone derivatives) and similar compounds possible. Particular preference is given to using ferrocene or a ferrocene derivative as the redox-active label.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch indirekte Label verwendet werden. Unter dem Begriff „indirekte Label" werden solche verstanden, bei denen die eigentlich detektierbare Form des Labels erst über eine enzymkatalysierte Reaktion ensteht. Die detektierbare Form des Labels kann dann an der Oberfläche detektiert werden. Beispiele für solche indirekten Label sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt, exemplarisch sei hier alkalische Phosphatase (AP) in Verbindung mit dem Substrat p-Aminophenylphosphat genannt. Liegt AP als indirekter Marker an das Signal-Nukleinsäureoligomer gebunden vor, so kann eine elektrochemische Detektion des Signal-Nukleinsäureoligomers dadurch erfolgen, dass zum Zeitpunkt der Detektion p-Aminophenylphosphat zugegeben wird. Das elektrochemisch inaktive p-Aminophenylphosphat dient als Substrat des Enzyms AP und wird in p- Aminophenol umgewandelt. p-Aminophenol kann nun, nach Diffusion zu einer leitfähigen Oberfläche, elektrochemisch detektiert werden, da diese Form des Substrats (also nach Umsetzung am AP) elektrochemisch aktiv ist. Alternativ kann AP auch zur chromogenen Detektion verwendet werden (z.B. mit 5-Brom-4-chlor-3- indoxylphosphat in Verbindung mit Nitroblau-Tetrazoliumchlorid). Indirect labels can also be used in the process according to the invention. The term "indirect labels" is understood to mean those in which the actually detectable form of the label is first formed via an enzyme-catalyzed reaction The detectable form of the label can then be detected on the surface Examples of such indirect labels are known to the person skilled in the art from the literature As is known, alkaline phosphatase (AP) may be used as an example called p-aminophenyl phosphate with the substrate. If AP is bound to the signal nucleic acid oligomer as an indirect marker, electrochemical detection of the signal nucleic acid oligomer can be effected by adding p-aminophenyl phosphate at the time of detection. The electrochemically inactive p-aminophenyl phosphate serves as a substrate of the enzyme AP and is converted to p-aminophenol. After diffusion to a conductive surface, p-aminophenol can now be detected electrochemically, since this form of the substrate (ie after conversion at the AP) is electrochemically active. Alternatively, AP can also be used for chromogenic detection (eg with 5-bromo-4-chloro-3-indoxyl phosphate in conjunction with nitroblue tetrazolium chloride).
Oberflächensensitive elektrochemische Detektionsmethoden Bei elektrochemischen Methoden kann anhand der Kinetik der elektrochemischen Prozesse prinzipiell zwischen an eine Oberfläche adsorbierten und im Überstand gelösten redoxaktiven Detektionslabel unterschieden werden. Oberflächenadsorbierte Detektionslabel werden im allgemeinen schneller elektrochemisch umgesetzt (z.B. oxidiert oder reduziert) als redoxaktive Detektionslabel aus der Volumenphase, da letztere vor der elektrochemischen Umsetzung erst zur (Elektroden-) Oberfläche diffundieren müssen. Als Beispiele für elektrochemische oberflächensensitive Methoden seien die Cyclovaltammetrie, die Amperometrie und die Chronocoulometrie genannt. Die Methode der Chronocoulometrie z.B. erlaubt es, oberflächennahe redoxaktive Komponenten von (identischen) redoxaktiven Komponenten in der Volumenphase zu unterscheiden und ist z.B. in Steel, A.B., Herne, T.M. und Tarlov M.J.: Electrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Analytical Chemistry, 1998, Vol. 70, 4670 - 4677 und darin zitierten Literaturstellen beschrieben. Der Einsatz der Chronocoulometrie in einem Verdrängungsassay zur Detektion von Nukleinsäureoligomerhybridisierungsereignissen ist detailliert in der WO 03/018834 A2 beschrieben, auf die hiermit in diesem Zusammenhang Bezug genommen wird. Surface-sensitive Electrochemical Detection Methods In electrochemical methods, the kinetics of electrochemical processes can be used to distinguish between redox-active detection labels adsorbed to a surface and dissolved in the supernatant. Surface adsorbed detection labels are generally more rapidly electrochemically reacted (e.g., oxidized or reduced) as the redox-active, volume phase detection label since the latter must first diffuse to the (electrode) surface prior to electrochemical conversion. As examples of electrochemical surface-sensitive methods, cyclovalentammetry, amperometry and chronocoulometry are mentioned. The method of chronocoulometry e.g. allows to distinguish near-surface redox-active components of (identical) redox-active components in the bulk phase and is e.g. in Steel, A.B., Herne, T.M. and Tarlov M.J .: Electrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Analytical Chemistry, 1998, Vol. 70, 4670-4677 and references cited therein. The use of chronocoulometry in a displacement assay for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events is described in detail in WO 03/018834 A2, which is hereby incorporated by reference.
Eine elektochemische Messvariante von Hybridisierungsereignissen unter Verwendung eines DNA-Chips ist in P. Liepold, T. Kratzmüller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, S. 1759- 1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practica! Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis beschrieben. An electrochemical measurement variant of hybridization events under Use of a DNA chip is described in P. Liepold, T. Kratzmuller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry , Vol. 391, pp. 1759-1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practica! Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur elektrochemischen Detektion Cyclovoltammetrie, Amperometrie, Chronocoulometrie, Impedanzmessung oder Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) eingesetzt. Die genannten Methoden erlauben eine genaue und sichere Detektion der Hybridisierungsereignisse. According to a preferred embodiment of the present invention, cyclic voltammetry, amperometry, chronocoulometry, impedance measurement or scanning electrochemical microscopy (SECM) are used for electrochemical detection. The methods mentioned allow an accurate and reliable detection of the hybridization events.
Sämtliche im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren können unter Verwendung von DNA-Chips durchgeführt werden. In diesem Fall weist die modifizierte Oberfläche zumindest 2 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche, bevorzugt zumindest 4 und insbesondere zumindest 12 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche auf. All methods described in the context of the present invention can be carried out using DNA chips. In this case, the modified surface has at least 2 spatially substantially separated regions, preferably at least 4 and in particular at least 12 spatially substantially separated regions.
Unter "räumlich im Wesentlichen abgetrennten Bereichen" werden Bereiche der Oberfläche verstanden, die ganz überwiegend durch Anbindung einer bestimmten Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren modifiziert sind. Lediglich in Gebieten, in denen zwei solche räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche aneinander grenzen, kann es zu einer Vermischung von verschiedenen Arten von Sonden- Nukleinsäureoligomeren kommen. By "spatially substantially separated regions" is meant areas of the surface which are predominantly modified by attachment of a particular type of probe nucleic acid oligomer. Only in areas where two such spatially substantially separated regions are contiguous may a mixture of different types of probe nucleic acid oligomers occur.
Ganz besonders bevorzugt weist die modifizierte Oberfläche zumindest 32, insbesondere zumindest 64, ganz besonders bevorzugt zumindest 96 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche auf. Die in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellte modifizierte Oberfläche weist bevorzugt eine Fläche von 1 μηι2 bis zu 1 mm2, besonders bevorzugt eine Fläche von 10 μηι2 bis zu 100 μηι2 und insbesondere bevorzugt eine Fläche von rund 50 μηι2 auf. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist in jeweils einem der räumlich im Wesentlichen abgetrennten Bereiche der Oberfläche jeweils eine Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren an die Oberfläche gebunden, wobei sich die verschiedenen Arten von Sonden-Nukleinsäureoligomeren in zumindest einer Base voneinander unterscheiden. Dies erlaubt die parallele Detektion einer Vielzahl verschiedener Arten von Target-Nukleinsäureoligomeren. Most preferably, the modified surface has at least 32, in particular at least 64, most preferably at least 96 spatially substantially separated areas. The modified surface provided in step a) of the method according to the invention preferably has an area of 1 μm 2 to 1 mm 2 , more preferably an area of 10 μm 2 to 100 μm 2 and particularly preferably an area of about 50 μm 2 . According to a further, particularly preferred embodiment, in each case one of the spatially substantially separated regions of the surface is bound one respective type of probe nucleic acid oligomer to the surface, the different types of probe nucleic acid oligomers differing in at least one base from one another. This allows the parallel detection of a variety of different types of target nucleic acid oligomers.
Ein CMOS-basierter DNA-Chip für elektrochemische Detektion der Hybridisierung zwischen Sonde und Signaloligonukleotid ist z.B. in Augustyniak, M.; Paulus, C; Brederlow, Fl.; Persike, N.; Hartwich, G.; Schmitt-Landsiedel, D.; Thewes, R. (2006), Solid-State Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 59 - 68 A 24x16 CMOS-Based Chronocoulometric DNA Microarray beschrieben. A CMOS-based DNA chip for electrochemical detection of hybridization between probe and signal oligonucleotide is e.g. in Augustyniak, M .; Paul, C; Brederlow, Fl .; Persike, N .; Hartwich, G .; Schmitt-Landsiedel, D .; Thewes, R. (2006), Solid State Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 59-68 A 24x16 CMOS-Based Chronoculometric DNA Microarray.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
Fig. 1 a ein Sonden-Nukleinsäureoligomer in schematischer Darstellung; 1 a shows a probe nucleic acid oligomer in a schematic representation;
Fig. 1 b ein Signal-Nukleinsäureoligomer in schematischer Darstellung; Figure 1 b is a signal nucleic acid oligomer in a schematic representation.
Fig. 1 c ein Target-Nukleinsäureoligomer in schematischer Darstellung; FIG. 1 c shows a schematic representation of a target nucleic acid oligomer; FIG.
Fig. 1 d Primer und Polymerase in schematischer Darstellung; Fig. 1 d primer and polymerase in a schematic representation;
Fig. 2a in schematischer Darstellung die wesentlichen Komponenten des Fig. 2a in a schematic representation of the essential components of
erfindungsgemäßen Verfahrens in ihren Hybridisierungszuständen bei Normalbedingungen; Fig. 2b in schematischer Darstellung die wesentlichen Komponenten des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihren Hybridisierungszuständen bei Start eines PCR-Zyklus; method according to the invention in their hybridization states under normal conditions; 2b is a schematic representation of the essential components of the method according to the invention in its hybridization states at the start of a PCR cycle;
Fig. 2c in schematischer Darstellung die Replikation des Targets und die Bildung von Signaloligonukleotid-Teilstücken; Fig. 2c is a schematic representation of the replication of the target and the formation of signal oligonucleotide sections;
Fig. 3a eine Auftragung des Peakstroms cyclovoltammetrischer Messungen eines Fig. 3a is a plot of the peak current cyclovoltammetric measurements of a
Ferrocen-Labels in Abhängigkeit von der Zeit zu Beginn der PCR;  Ferrocene labels as a function of time at the beginning of the PCR;
Fig. 3b eine Auftragung des Peakstroms cyclovoltammetrischer Messungen eines Fig. 3b is a plot of the peak current cyclovoltammetric measurements of a
Ferrocen-Labels in Abhängigkeit von der Zeit nach dem 30. PCR-Zyklus;  Ferrocene labels as a function of time after the 30th PCR cycle;
Fig. 4 eine Auftragung des Peakstroms cyclovoltammetrischer Messungen eines 4 shows a plot of the peak current of cyclovoltammetric measurements of a
Ferrocen-Labels jeweils 20 Sekunden nach dem entsprechenden PCR- Zyklus in Abhängigkeit von der Zykluszahl.  Ferrocene labels 20 seconds after the appropriate PCR cycle, depending on the number of cycles.
Wege zur Ausführung der Erfindung Elektrisch detektierte Real-Time PCR (eRT-PCR) Methods for Carrying out the Invention Electrically Detected Real-Time PCR (eRT-PCR)
Zu einem PCR-Ansatz werden Signaloligonukleotide gegeben, die zum einen zu Sondenoligonukleotiden, die auf einer Teststelle eines DNA-Chips immobilisiert sind, und zum anderen zu den Target-Oligonukleotiden (einem Sequenzbereich des Templates bzw. des über PCR zu amplifizierenden DNA-Abschnitts) komplementär sind. For a PCR approach Signaloligonukleotide are given, which are on the one hand to probe oligonucleotides immobilized on a test site of a DNA chip, and on the other hand to the target oligonucleotides (a sequence region of the template or PCR to be amplified by PCR section) are complementary.
In den Figuren 1 a bis 1 d sind ein Sonden-Nukleinsäuroligomer 1 , ein Signal- Nukleinsäureoligomer 2 und die wesentlichen restlichen Komponenten einer elektrisch detektierbaren real-time PCR schematisch dargestellt. Fig. 1 a zeigt schematisch eine Teststelle eines Mikroarrays mit einem der darauf immobilisierten Sondenoligonukleotide 1 . Die Oberfläche 3 der Teststelle besteht aus Gold. Auf der Teststelle ist über Thiolbindungen (-S-) eine Art von Sondenoligonukleotiden 1 immobilisiert. Die Sondenoligonukleotide 1 umfassen die Abschnitte Spacer 4, Sonden-Pin-Abschnitt 5 und Sonden-Dock-Abschnitt 6. Der Sonden-Dock-Abschnitt 6 kann auch zwischen Sonden-Pin-Abschnitt 5 und Spacer 4 angeordnet sein. Daneben ist es möglich, dass Sonden-Pin-Abschnitt 5 und Sonden-Dock-Abschnitt 6 überlappen, also gemeinsame Basen aufweisen. In FIGS. 1 a to 1 d, a probe nucleic acid oligomer 1, a signal nucleic acid oligomer 2 and the essential remaining components of an electrically detectable real-time PCR are shown schematically. 1 a schematically shows a test site of a microarray with one of the probe oligonucleotides 1 immobilized thereon. The surface 3 of the test site is made of gold. On the Test site is immobilized on Thiolbindungen (-S-) a kind of probe oligonucleotides 1. The probe oligonucleotides 1 comprise the sections spacer 4, probe pin section 5 and probe dock section 6. The probe dock section 6 can also be arranged between probe pin section 5 and spacer 4. In addition, it is possible for probe pin section 5 and probe dock section 6 to overlap, ie have common bases.
Die Signaloligonukleotide 2 weisen bei Normalbedingungen (25^, 1 bar) eine sogenannte Hairpinstruktur auf, die aus einem aus einem ersten und einem zweiten Signal-Pin-Abschnitt 5', 5" aufgebauten Pin-Bereich und einem Loop-Bereich besteht. Benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt 5' weist das Signaloligonukleotid 2 des vorliegenden Beispiels zusätzlich einen Signal-Dock- Abschnitt 6' auf, welcher komplementär zu dem Sonden-Dock-Abschnitt 6 der Sondenoligonukleotide 1 ist. Der Hairpin trägt ein kovalent angebundenes elektrisch detektierbares Label 9, wobei im vorliegenden Beispiel der erste Signal-Pin- Abschnitt 5' mit dem Label markiert ist. Der erste Signal-Pin-Abschnitt 5' ist komplementär zu dem Sonden-Pin-Abschnitt 5 des Sondenoligonukleotids 1 . Ebenso ist es möglich, dass der Signal-Dock-Abschnitt 6' nicht zwischen Signal-Pin- Abschnitt 5' und Signal-Erkennungs-Abschnitt 8, sondern endständig am freien Ende des Signal-Pin-Abschnitt 5' angeordnet ist. Auch können der Signal-Pin- Abschnitt 5' und der Signal-Dock-Abschnitt 6' überlappen, also gemeinsame Basen aufweisen. The signal oligonucleotides 2 have a so-called hairpin structure at normal conditions (25.sup.-1 bar), which consists of a pin region constructed from a first and a second signal pin section 5 ', 5 "and a loop region In addition to the first signal pin section 5 ', the signal oligonucleotide 2 of the present example additionally has a signal dock section 6' which is complementary to the probe dock section 6 of the probe oligonucleotides 1. The hairpin carries a covalently bound, electrically detectable one Label 9, wherein in the present example the first signal pin section 5 'is marked with the label The first signal pin section 5' is complementary to the probe pin section 5 of the probe oligonucleotide 1. It is also possible to the signal dock section 6 'is not arranged between the signal pin section 5' and the signal recognition section 8, but at the terminal end at the free end of the signal pin section 5 ' Signal pin section 5 'and the signal dock section 6' overlap, so have shared bases.
Der Loop-Bereich der Signaloligonukleotide 2 weist einen Signal- Erkennungsabschnitt 8 auf, welcher komplementär zu einem Target-Erkennungs- Abschnitt 8' des Target-Nukleinsäureoligomers 10 (Fig 1 c) ist. Das Target- Nukleinsäureoligomer liegt in der Regel als Doppelstrang vor und weist Primerbindungsstellen 1 1 , 12 auf, die wiederum komplementär zu den Primern 1 1 ' und 12" (Fig. 1 d) sind. In Fig. 1 d ist schematisch eine Polymerase 13 mit geeigneter Exonukleaseaktivität dargestellt. The loop region of the signal oligonucleotides 2 has a signal recognition section 8 which is complementary to a target recognition section 8 'of the target nucleic acid oligomer 10 (FIG. 1 c). The target nucleic acid oligomer is usually in the form of a double strand and has primer binding sites 1 1, 12, which in turn are complementary to the primers 1 1 'and 12 " (Figure 1 d) represented with suitable exonuclease activity.
Die Figuren 2a bis 2c zeigen schematisch die Grundzüge des Ablaufs einer elektrisch detektierbaren real-time PCR in der Volumenphase. Die wesentlichen Komponenten in ihren Hybridisierungszuständen bei Normalbedingungen (25°C, 1 bar) sind in Fig. 2a dargestellt. In der Regel liegen die Signaloligonuleotide 2 in einer Hairpin-Struktur vor, das Target 10 als Doppelstrang, die Primer 1 1 ', 12' einzelsträngig und die Polymerase 13 in einem nicht an die DNA gebundenen Zustand. Ein PCR-Zyklus wird gestartet, indem die PCR-Lösung kurzzeitig auf ca. 95 °C erhitzt wird, um potentielle Hybride/Selbsthybride zu dissoziieren (vgl. Fig. 2b). Kühlt man die PCR-Lösung auf eine geeignete Temperatur ab (ca. 70°C), können zum einen die Primer 1 1 ', 12' mit den einzelsträngigen Targets 10 hybridisieren und die Polymerase 13 kann andocken, zum anderen bleibt der Hairpin des Signaloligonukleotids zumindest zum Teil dissoziiert, und der Signal-Erkennungs- Abschnitt 8 des Signaloligos 2 kann mit dem Target-Erkennungs-Abschnitt 8' hybridisieren. Da der zweite Signal-Pin-Abschnitt 5" des Signaloligos 2 nicht komplementär zur Targetsequenz ist, liegt dieser Abschnitt immer einzelsträngig vor, weshalb die Polymerase 13 nicht an das Signaloligo 2 andocken und von da aus den Strang verlängern kann, was zu unerwünschten Nebenprodukten führen würde. Alternativ oder additiv zu einer nichtkomplementären Ausführung des zweiten Signal-Pin-Abschnittes 5" könnte das Signaloligo 2 auch am Ende des zweiten Signal-Pin-Abschnittes 5" ein invertiertes Nukleosid oder ein di-desoxy- Nukleosid aufweisen. Auch andere dem Fachmann bekannte Maßnahmen können getroffen werden, um eine Kettenverlängerung des Signal-Oligonukleotids 2 zu vermeiden. FIGS. 2a to 2c schematically show the basic features of the course of an electrically detectable real-time PCR in the volume phase. The essential components in their hybridization states under normal conditions (25 ° C, 1 bar) are shown in Fig. 2a. In general, the signal oligonucleotides 2 are present in a hairpin structure, the target 10 as a double strand, the primers 1 1 ', 12' single-stranded and the polymerase 13 in a state not bound to the DNA. A PCR cycle is started by briefly heating the PCR solution to about 95 ° C to dissociate potential hybrid / self-hybrids (see Figure 2b). If the PCR solution is cooled to a suitable temperature (about 70 ° C.), on the one hand the primers 1 1 ', 12' can hybridize with the single-stranded targets 10 and the polymerase 13 can dock, on the other hand the hairpin of the signal oligonucleotide remains at least partially dissociated, and the signal detection section 8 of the signal oligos 2 can hybridize with the target recognition section 8 '. Since the second signal pin section 5 "of the signal oligos 2 is not complementary to the target sequence, this section is always single-stranded, which is why the polymerase 13 can not dock to the signal oligo 2 and extend from there the strand, resulting in undesirable by-products Alternatively or in addition to a non-complementary embodiment of the second signal pin section 5 ", the signal oligo 2 could also have an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside at the end of the second signal pin section 5" Known measures can be taken to avoid chain extension of the signal oligonucleotide 2.
Die für den in Fig. 2c skizzierten Zustand geeignete Temperatur ist im Wesentlichen von der Primerhybridisierungstemperatur TP, derThe temperature suitable for the state sketched in FIG. 2c is essentially of the primer hybridization temperature T P ,
Signaloligohybridisierungstemperatur des Signaloligos 2 mit dem Target 10 im Bereich 8/8' Tso und der Hairpinschmelztemperatur TPin unter den Pufferbedingungen der PCR abhängig und wird beim Primer-/ Sondendesign in silico durch entsprechende Software oder empirische Werte ermittelt. Als grobe Faustregel sollte die für den in Fig. 2c skizzierten Vorgang geeignete Temperatur T gelten: T ~ TP ~ Tso ~ (>) TP,N, wobei die Temperatur T zusätzlich in einem Bereich liegen sollte, bei der die Polymerase hohe Raten der Targetreplikation aufweist (in der Regel um 70 'C); T kann in Vorversuchen entsprechend optimiert werden. Signal Oligohybridisierungstemperatur the Signaloligos 2 with the target 10 in the range 8/8 'T so and the Hairpinschmelztemperatur T Pin under the buffer conditions of the PCR dependent and is determined in the primer / probe design in silico by appropriate software or empirical values. As a rough rule of thumb, the appropriate temperature T should apply to the process outlined in Fig. 2c: T ~ T P ~ T so ~ (>) T P , N , where the temperature T should additionally be in a range where the polymerase is high Rates of target replication (typically around 70 'C); T can be optimized accordingly in preliminary tests.
Bei geeigneter Konstruktion des Hairpin-Signaloligonukleotids kann T auch kleiner als TPin sein, wenn gewährleistet ist, dass zumindest ein Bruchteil der Signaloligos 2 und/oder auch bei (teilweise) geschlossener Hairpinstruktur an das zumindest im Target-Erkennungs-Abschnitt 8' einzelsträngige Target 10 anbinden kann. Sind die in Fig. 2c skizzierten Voraussetzungen gegeben und weist die Polymerase 13 eine entsprechend geeignete Exonukleaseaktivität aus, wird diese bei der Replikation das an das zu replizierende Target 10 gebundene Signaloligonukleotid 2 in einem Bereich in der Nähe des Übergangs vom Signal-Dock-Abschnitt 6' zum Signal- Erkennungsabschnitt 8 des Signaloligonukleotids 2 schneiden. Dadurch entsteht ein kurzes Signaloligonukleotid-Teilstück 14, welches vom Signal-Oligonukleotid-Rumpf 15 abgetrennt ist (Fig. 2c). With a suitable construction of the hairpin signal oligonucleotide, T can also be smaller than T Pin , if it is ensured that at least a fraction of the signal oligos 2 and / or (partially) closed hairpin structure to the at least in the target recognition section 8 'single-stranded target 10 can bind. If the prerequisites outlined in FIG. 2c are given and the polymerase 13 has a suitably suitable exonuclease activity, this replication causes the signal oligonucleotide 2 bound to the target 10 to be replicated in an area in the vicinity of the transition from the signal dock section 6 'to the signal detection section 8 of the Signaloligonukleotids 2 intersect. This results in a short signal oligonucleotide portion 14 which is separated from the signal oligonucleotide trunk 15 (Figure 2c).
Das kovalent gebundene redoxaktive Label, insbesondere Ferrocen 9 der Signaloligonukleotide 2 kann zum elektrochemischen Nachweis von an der modifizierten Oberfläche 3, nämlich den Teststellen (Elektroden) gebundenen/hybridisierten Signaloligonukleotiden 2 benutzt werden. Ferrocen ist reversibel oxidier- und reduzierbar. Bei Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Teststelle wird ein dem Hybridisierungsgrad aus Sonden 1 und gebundenen Signaloligos 2 entsprechender Strom gemessen. Entsprechend können die Signaloligo-Teilstücke 14 bei geeigneter Temperatur (TDET ^ ΤΡ,Ν) an der Teststelle mit Sondenoligo 1 gebunden werden und erzeugen ein elektrisch detektierbares Signal, das bei TDET ^ ΤΡ,Ν deutlich höher ist als das entsprechende Signal des ursprünglichen Signaloligos 2, da letzteres in der Hairpin-Form nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil an die Sonde 1 gebunden wird. Zur Unterstützung der Diskriminierung zwischen Hairpin-Signaloligonukleotid 2 und Signaloligonukleotid- Teilstück 14 kann die Sonde 1 zwischen dem ersten Signal-Pin-Abschnitt 5 und dem Signal-Dock-Abschnitt 6 zusätzlich eine, zwei oder mehrere Basen besitzen, die nicht zum Signaloligonukleotid 2 komplementär sind und bei Anbindung von Hairpin-Signaloligonukleotid 2 und Signaloligonukleotid-Teilstücken 14 Mismatches und / oder ein sogenanntes „Gap" ausbilden, das sich stark negativ auf die Anhybridisierung von Hairpin-Signaloligonukleotiden 2 auswirkt, aber nur wenig negativ auf die Anhybridisierung von Signaloligonukleotid-Teilstück 14. Ein entsprechendes Diskriminierungs-erhöhendes Verhalten an der Sonde 1 lässt sich auch erzielen, wenn die Sonde 1 im Bereich des ersten Signal-Pin- und/oder des Signal-Dock-Abschnitts 5', 6' um eine, zwei oder mehrere Basen kürzer ist als der entsprechende Bereich des Hairpin-Signaloligonukleotids 2 oder Signaloligonukleotid-Teilstücks 14. The covalently bound redox-active label, in particular ferrocene 9, of the signal oligonucleotides 2 can be used for the electrochemical detection of signal oligonucleotides 2 bound / hybridized to the modified surface 3, namely the test sites (electrodes). Ferrocene is reversibly oxidizable and reducible. When a corresponding voltage is applied to the test site, a current corresponding to the degree of hybridization of probes 1 and bound signal oligos 2 is measured. Accordingly, the Signaloligo sections 14 at a suitable temperature (T DE T ^ Τ Ρ , Ν ) are bound at the test site with probe oligo 1 and generate an electrically detectable signal, which is significantly higher at T DE T ^ Τ Ρ , Ν corresponding signal of the original Signaloligos 2, since the latter is not or only to a very small extent bound to the probe 1 in the hairpin shape. To aid discrimination between hairpin signal oligonucleotide 2 and signal oligonucleotide section 14, probe 1 between first signal pin section 5 and signal dock section 6 may additionally have one, two or more bases which are not complementary to signal oligonucleotide 2 and upon attachment of hairpin signal oligonucleotide 2 and signal oligonucleotide segments 14 form mismatches and / or a so-called "gap", which has a strong negative effect on the hybridization of hairpin signal oligonucleotides 2, but only slightly negative on the hybridization of signal oligonucleotide segment 14. A corresponding discrimination-increasing behavior on the probe 1 can also be achieved if the probe 1 in the region of the first signal pin and / or the signal dock section 5 ', 6' by one, two or more bases shorter than that corresponding portion of hairpin signal oligonucleotide 2 or signal oligonucleotide portion 14.
In Tabelle 1 sind die für die folgenden eRT-PCR Experimente verwendeten Primer, Sonden-, Signal- und Target-Oligonukleotide zusammengestellt. Table 1 summarizes the primers, probe, signal and target oligonucleotides used for the following eRT-PCR experiments.
Tabelle 1 : 5'-3' Sequenzen der in Fig. 1 und 2 skizzierten Oligonukleotide. Table 1: 5'-3 'sequences of the oligonucleotides outlined in FIGS. 1 and 2.
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* (hybridisierbare Sondensequenz in Kleinbuchstaben, Spacer in Großbuchstaben, Gap klein und kursiv sowie Mismatches klein und fett gedruckt ) * (hybridisable probe sequence in lowercase letters, spacer in capital letters, Gap small and italics, and mismatches small and bold)
Mit zunehmendem Fortgang der PCR-Reaktion laufen die mit Fig. 2 dargestellten Grundzüge der Amplifikation wiederholt ab und die Konzentration der freien Signaloligonukleotid-Teilstücke 14 nimmt mit zunehmender Zyklenzahl der PCR deutlich zu, was an der Teststelle nachvollzogen werden kann. Die Konzentrationszunahme führt an einer mit Sonden 1 belegten Teststelle (siehe Figur 1 a) zu einer - im Vergleich zur Messung bei Zyklus 0 (Figur 3a) - deutlich beschleunigten Anhybridisierung der Signaloligonukleotid-Teilstücke 14 (Figur 3b). As the progress of the PCR reaction progresses the basic features of the amplification shown in FIG. 2 are repeated and the concentration of the free signal oligonucleotide sections 14 increases markedly with increasing number of cycles of the PCR, which can be reproduced at the test site. The increase in concentration leads to a test site occupied by probes 1 (see Figure 1 a) to a - compared to the measurement at cycle 0 (Figure 3a) - significantly accelerated Anhybridisierung the Signaloligonukleotid sections 14 (Figure 3b).
Die Figuren 3a und 3b zeigen Messergebnisse einer elektrisch detektierten Signaländerung zur„real time" Verfolgung des Fortgangs einer PCR-Reaktion. In Fig. 3a ist der Peakstrom cyclovoltammetrischer Messungen des Ferrocen-Labels 9 in Abhängigkeit von der Zeit zu Beginn der PCR (Zyklus 0) für zwei Sonden (Sonde_A_1 und Sonde_A_3, vgl. Tabelle 1 ) gezeigt. Diese Darstellung entspricht dem Anhybridisierungsverhalten des Signaloligos 2 bzw. Signaloligo-Teilstücks 14, das u.a. von der Konzentration an Signaloligos 2 bzw. Signaloligo-Teilstücken 14 abhängig ist. In Fig. 3a ist somit das Anhybridisierungsverhalten des Signaloligonukleotids 2 bei 40 ^ dargestellt, einer Temperatur bei der das Signaloligonukleotid 2 als Hairpin vorliegt, womit Fig. 3a letztendlich auch das Background-Signal der Messung darstellt. In Fig. 3b ist eine entsprechende Messung nach dem 30. PCR-Zyklus (der Her-2 PCR, siehe Text) im Vergleich zum Background-Signal (Sonde_A_3 bei 0 Zyklen) dargestellt. Während der PCR wurden über die Exonukleaseaktivität der Taq-Polymerase eine dem Fortgang der Amplifikation entsprechende Menge an Signaloligo-Teilstücken 14 hergestellt. Das Anhybridisierungsverhalten bei Zyklus 30 entspricht im Wesentlichen dem Background-Signal (aus Fig. 3a) und dem Signal der gebildeten Signaloligo- Teilstücke 14. 3a and 3b show measurement results of an electrically detected signal change for "real time" tracking of the progress of a PCR reaction in Fig. 3a, the peak current cyclovoltammetrischer measurements of the ferrocene label 9 as a function of time at the beginning of the PCR (cycle 0 ) for two probes (probe_A_1 and probe_A_3, see Table 1) This representation corresponds to the hybridization behavior of the signal oligos 2 and / or signal oligo sections 14, which depends, inter alia, on the concentration of signal oligos 2 or signal oligo sections 14. In FIG 3a is thus the hybridization behavior of the signal oligonucleotide 2 at 40 °, a temperature at which the signal oligonucleotide 2 is present as a hairpin, with which Fig. 3a finally also represents the background signal of the measurement PCR cycle (the Her-2 PCR, see text) compared to the background signal (Probe_A_3 at 0 cycles) In the PCR, the amount of signal oligo segments 14 corresponding to the progress of the amplification was prepared via the exonuclease activity of the Taq polymerase. The hybridization behavior at cycle 30 essentially corresponds to the background signal (from FIG. 3 a) and the signal of the signal oligoparticles 14 formed.
Durchführung einer Real-Time PCR am Beispiel Her-2 PCR (Her-2 = cDNA des human epidermal growth factor receptor 2) Real-time PCR performed on the example of Her-2 PCR (Her-2 = human epidermal growth factor receptor 2 cDNA)
Die Sequenzen der wesentlichen PCR-Komponenten sind in Tabelle 1 aufgelistet. The sequences of the essential PCR components are listed in Table 1.
Der Mastermix für die PCR Reaktion zur Amplifikation einer Zielsequenz von Her-2 (Template-Menge ca. 103 Kopien) enthält entsprechende Primer (10 μΜ), den dNTP-Mix (je dNTP 25 μΜ) und MgAc (3 mM) in einem Standard PCR-Puffer (5 x Bicin Puffer, 250 mM Bicin/KOH, pH 8.2; 575 mM K-Acetat, 40% Glycerol (v/v), Bicine = N,N-Bis(2-hydroxyethyl) Glycin). Zu diesem Mastermix werden das Template und Signaloligonukleotide (50nM), sowie Kontroll-Signaloligonukleotide (50 nM), die vollständig nicht-komlementär zu DNA-Sequenzen der Template- Lösung sind, gegeben. Unmittelbar vor Start der PCR-Reaktion wird PCR- Polymerase mit Exonuklease-Aktivität zugefügt und die Lösung in eine PCR- Kartusche gefüllt. The master mix for the PCR reaction for amplifying a target sequence of Her-2 (template amount about 10 3 copies) contains appropriate primers (10 μΜ), the dNTP mix (per dNTP 25 μΜ) and MgAc (3 mM) in one Standard PCR buffer (5x Bicin buffer, 250mM Bicin / KOH, pH 8.2, 575mM K-acetate, 40% glycerol (v / v), bicine = N, N-bis (2-hydroxyethyl) glycine). To this master mix are the template and signal oligonucleotides (50nM), as well as control signal oligonucleotides (50 nM), which are completely non-complementary to DNA sequences of the template solution given. Immediately before starting the PCR reaction, PCR polymerase with exonuclease activity is added and the solution filled into a PCR cartridge.
Funktion und Aufbau der PCR-Kartusche und eines PCR-Cyclers sind in der DE 10 2009 044 431 A1 beschrieben. Bei der PCR-Kartusche handelt es sich um eine Zelle mit einem ungefähren Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 1 mm, in die ein ungefähr 0.5 mm tiefer Hohlzylinder zur Aufnahme der Lösung für die PCR- Reaktion eingebracht ist. Im Inneren der Kartusche befindet sich ein DNA-Chip, dessen Sensorfeld über einen Brückenkanal mit der Reaktionslösung in Flüssigkeitskontakt steht. Der Chip verfügt über eine Durchkontaktierung, so dass die für die Messwerterfassung notwendige elektrische Kontaktierung des DNA- Chips von au ßen über Federkontakte bewerkstelligt werden kann. Function and structure of the PCR cartridge and a PCR cycler are described in DE 10 2009 044 431 A1. The PCR cartridge is a 20 mm diameter, 1 mm thick cell containing approximately 0.5 mm of hollow tubing for receiving the solution for the PCR reaction. Inside the cartridge is a DNA chip whose sensor field is in fluid contact with the reaction solution via a bridge channel. The chip has a plated-through hole so that the electrical contacting of the DNA chip necessary for the measured value acquisition can be accomplished from outside via spring contacts.
Zur Durchführung der PCR wird die PCR-Kartusche in einem PCR-Cycler angeordnet. Der PCR-Cycler besteht aus 3 Heizblöcken aus einem gut wärmeleitfähigen Material (z.B. Aluminium). Mittels Peltierelementen bzw. Heizmatten, Platinwiderstand zur Temperaturmessung und einer geeigneten Regelelektronik (PID-Regler) werden die Heizblöcke auf die für die PCR-Reaktion nötige Temperatur gebracht. Jeder Block enthält einen Spalt, in den die PCR- Kartusche eingeführt wird. Ober- und unterhalb der Kartusche befindet sich im Bereich des DNA-Chips ein weiterer Heizblock, um die Chiptemperatur unabhängig von der Temperatur für die PCR-Reaktion im Reaktionskanal einzustellen. Dieser zentrische Heizblock dient gleichzeitig zur Vermittelung der Rotationsbewegung der PCR-Kartusche und der Kontaktierung des DNA-Chips in der Kartusche. Durch eine geeignete Wahl der Blockgeometrie kann der Bereich, in der die Zelle eine bestimmte Temperatur aufweist, festgelegt werden. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Verhältnis von 2:1 :1 des Bereiches mit 95^ zu den Bereichen mit 72°C (Annealing) und 72 <C (Elongation) gewählt. Zwischen den Blöcken ist jeweils ein Luftspalt, um die Wärmeübertragung zwischen den Blöcken zu verhindern. Durch Variation der Rotationsfrequenz kann die Zeit, in der die kritischen Temperaturen für die PCR-Reaktion an der Kartusche anliegen, variiert werden. Vor Start der PCR wird die Reaktionsmischung in dem PCR-Cycler 3 min auf 95°C erhitzt und anschließend abgekühlt und nach leichtem Durchmischen der PCR- Lösung durch geeignete Maßnahmen, die gewährleisten, dass frische Lösung aus dem PCR-Kanal den Chip benetzt, eine erste Messung am integrierten DNA-Chip durchgeführt. Der DNA-Chip trägt an einer der bereitgestellten Teststellen Sonden des Typs Sonde_A_3, die zumindest teilweise komplementär zum Signal- Nukleinsäureoligomer-Teilstück 14 sind und an einer weiteren Teststelle Sonden, die komplementär zum Kontroll-Signaloligonukleotid sind. Die Messung findet bei 40 °C statt, also deutlich unter der TPin des Signaloligonukleotids und entspricht den in Fig. 3a dargestellten Messwerten. To carry out the PCR, the PCR cartridge is placed in a PCR cycler. The PCR cycler consists of 3 heating blocks made of a good thermally conductive material (eg aluminum). By means of Peltier elements or heating mats, platinum resistance for temperature measurement and suitable control electronics (PID controller), the heating blocks are brought to the temperature necessary for the PCR reaction. Each block contains a gap into which the PCR cartridge is inserted. Above and below the cartridge, another heating block is located in the area of the DNA chip in order to set the chip temperature independently of the temperature for the PCR reaction in the reaction channel. This centric heating block also serves to mediate the rotational movement of the PCR cartridge and the contacting of the DNA chip in the cartridge. By a suitable choice of the block geometry, the area in which the cell has a certain temperature can be set. In the present example, a 2: 1: 1 ratio of 95 ^ range was chosen to be 72 ° C (annealing) and 72 < C (elongation) ranges. There is an air gap between the blocks to prevent heat transfer between the blocks. By varying the rotation frequency, the time during which the critical temperatures for the PCR reaction applied to the cartridge can be varied. Before starting the PCR, the reaction mixture is heated in the PCR cycler for 3 min at 95 ° C and then cooled and after slight mixing of the PCR solution by suitable measures to ensure that fresh solution from the PCR channel wets the chip, a first measurement performed on the integrated DNA chip. At one of the provided test sites, the DNA chip carries probes of the Probe_A_3 type which are at least partially complementary to the signal nucleic acid oligomer section 14 and, at another test site, probes which are complementary to the control signal oligonucleotide. The measurement takes place at 40 ° C., ie well below the T pin of the signal oligonucleotide and corresponds to the measured values shown in FIG. 3 a.
Nach dieser ersten Normierungsmessung wird die PCR-Reaktion gestartet, die Heizblöcke des PCR-Cyclers werden dazu auf 96°C (Aufschmelzen), 72°C (Annealing) und 72 <C (Elongation) eingestellt und die PCR-Kartusche mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Minute (i.e. 2 Zyklen pro Minute) in den Heizblöcken gedreht. Das nahezu zentrisch ausgerichtete Sensorfeld des DNA-Chips wird über einen weiteren Heizblock bei ca. 40 °C gehalten, Während einer Messung des Hybridisierungsvorgangs am Chip wird die PCR-Kartusche in der Regel weiter gedreht. After this first normalization measurement, the PCR reaction is started, the heating blocks of the PCR cycler are set to 96 ° C (melting), 72 ° C (annealing) and 72 < C (elongation) and the PCR cartridge with a rotational speed of Turned 2 revolutions per minute (ie 2 cycles per minute) in the heating blocks. The nearly centrically aligned sensor field of the DNA chip is held at about 40 ° C via another heating block. During a measurement of the hybridization process on the chip, the PCR cartridge is generally rotated further.
In Fig. 4 sind zur Darstellung des Amplifikationsverlaufs während der PCR die Peakströme des Anhybridisierungsverhaltens (vgl. Fig. 3a, 3b) jeweils 20 Sekunden nach dem entsprechenden PCR-Zyklus in Abhängigkeit von der Zyklenzahl dargestellt. Ab ca. 20 Zyklen steigt dieser Peakstrom deutlich an. Dieser Anstieg ist auf die vermehrte Bildung von Signaloligo-Teilstücken und damit auf vermehrte Amplifikation der Ziel-DNA Her-2 zurückzuführen. Durch geeignete Normierung und Vergleich mit der Kontroll-Teststelle ist es zudem möglich, nicht nur das Vorhandensein der entsprechenden Ziel-Sequenz nachzuweisen, sondern auch auf die ursprünglich vorhanden Menge rückzurechnen (quantitative bzw. semiquantitative real-time PCR). Bezugszeichenliste 4, the peak currents of the hybridization behavior (compare FIGS. 3a, 3b) are shown in each case 20 seconds after the corresponding PCR cycle as a function of the number of cycles in order to illustrate the amplification profile during the PCR. From about 20 cycles, this peak current increases significantly. This increase is due to the increased formation of Signaloligo sections and thus to increased amplification of the target DNA Her-2. By appropriate standardization and comparison with the control test site, it is also possible not only to prove the presence of the corresponding target sequence, but also to back to the original amount present (quantitative or semiquantitative real-time PCR). LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Sonden-Nukleinsäureoligomer1 probe nucleic acid oligomer
2 Signal-Nukleinsäureoligomer 2 signal nucleic acid oligomer
3 Oberfläche der Teststelle  3 Surface of the test site
4 Spacer  4 spacers
5 Sonden-Pin-Abschnitt  5 probe pin section
5' erster Signal-Pin-Abschnitt  5 'first signal pin section
5" zweiter Signal-Pin-Abschnitt  5 "second signal pin section
6 Sonden-Dock-Abschnitt  6 probe dock section
6' Signal-Dock-Abschnitt  6 'signal dock section
8 Signal-Erkennungs-Abschnitt  8 signal detection section
8' Target-Erkennungs-Abschnitt 8 'target detection section
9 redoxaktives Detektionslabel 9 redox-active detection label
10 Target-Nukleinsäureoligomer  10 target nucleic acid oligomer
1 1 , 12 Primerbindungsstellen  1 1, 12 primer binding sites
1 1 ', 12' Primer  1 1 ', 12' primer
13 Nukleinsäure-Polymerase  13 nucleic acid polymerase
14 Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück 15 Signal-Nukleinsäureoligomer-Rumpf  14 Signal nucleic acid oligomer section 15 Signal nucleic acid oligomer trunk

Claims

Patentansprüche claims
Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomer- Hybridisierungsereignissen umfassend die Schritte A method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events comprising the steps
a) Bereitstellen einer modifizierten Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung wenigstens einer Art von Sonden- Nukleinsäureoligomeren (1 ) besteht, wobei die Sonden- Nukleinsäureoligomere (1 ) einen zu einem ersten Signal-Pin-Abschnitt (5') von Signal-Nukleinsäureoligomeren (2) komplementären Sonden- Pin-Abschnitt (5) besitzen,  a) providing a modified surface, wherein the modification in the connection of at least one type of probe nucleic acid oligomers (1), wherein the probe nucleic acid oligomers (1) to a first signal pin section (5 ') of signal nucleic acid oligomers (2) have complementary probe pin section (5),
b) Bereitstellen wenigstens einer Art von Signal-Nukleinsäureoligomeren (2), wobei  b) providing at least one type of signal nucleic acid oligomer (2), wherein
- die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen zu dem Sonden-Pin- Abschnitt (5) der Sonden-Nukleinsäureoligomere (1 ) komplementären ersten Signal-Pin-Abschnitt (5') besitzen, the signal nucleic acid oligomers (2) have a first signal pin section (5 ') complementary to the probe pin section (5) of the probe nucleic acid oligomers (1),
- die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen zu einem Target- Erkennungs-Abschnitt (8') von Target-Nukleinsäureoligomeren (10) komplementären Signal-Erkennungs-Abschnitt (8) besitzen,the signal nucleic acid oligomers (2) have a signal recognition section (8) which is complementary to a target recognition section (8 ') of target nucleic acid oligomers (10),
- die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitt (5', 5") besitzen, wobei die Hairpin-Struktur eine Schmelztemperatur TP|N aufweist, the signal nucleic acid oligomers (2) have a first and a second signal pin section (5 ', 5 ") complementary to one another to form a hairpin structure, the hairpin structure having a melting temperature T P | N ,
- der zur Ausbildung einer Hairpin-Struktur ausgelegte erste Signal- Pin-Abschnitt (5') nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren (10) komplementär ist, und  the first signal pin section (5 ') designed to form a hairpin structure is not complementary to the target nucleic acid oligomers (10), and
- die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) im Bereich des zur Ausbildung einer Hairpin-Struktur ausgelegten erste Signal-Pin-Abschnitts (5') mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel (9) modifiziert sind,  the signal nucleic acid oligomers (2) in the region of the first signal pin section (5 ') designed to form a hairpin structure are modified with at least one redox-active detection label (9),
c) Bereitstellen einer Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren (10), d) Bereitstellen einer Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, wobei die Reaktionslösung zumindest Nukleotide, wenigstens eine Art von Primer (1 1 ', 12') und wenigstens eine Art von Nukleinsäure-Polymerase (13) mit Exonuklease-Aktivität enthält, c) providing a sample with target nucleic acid oligomers (10), d) providing a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution comprises at least nucleotides, at least one type of primer (11 ', 12') and at least contains a type of nucleic acid polymerase (13) with exonuclease activity,
e) Mischen der in Schritt d) bereitgestellten Reaktionslösung mit den in Schritt b) bereitgestellten Signal-Nukleinsäureoligomeren (2) und der in Schritt c) bereitgestellten Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren (10),  e) mixing the reaction solution provided in step d) with the signal nucleic acid oligomers (2) provided in step b) and the sample provided in step c) with target nucleic acid oligomers (10),
f) Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere (10) mittels Nukleinsäureamplifikation unter Bildung von Signal- Nukleinsäureoligomer-Teilstücken (14),  f) amplification of the target nucleic acid oligomers (10) by means of nucleic acid amplification to form signal nucleic acid oligomer sections (14),
g) Inkontaktbringen des in Schritt f) erhaltenen Reaktionsgemisches mit der in Schritt a) bereitgestellten modifizierten Oberfläche,  g) contacting the reaction mixture obtained in step f) with the modified surface provided in step a),
h) Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke (14) durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur
Figure imgf000038_0001
h) detection of the formed signal nucleic acid oligomer sections (14) by an electrochemical detection method at a temperature
Figure imgf000038_0001
i) mehrfache Wiederholung der Schritte f) bis h),  i) repeated repetition of steps f) to h),
k) Vergleich der verschiedenen in Schritt h) erhaltenen Werte.  k) Comparison of the different values obtained in step h).
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) zusätzlich zumindest einen Signal-Dock-Abschnitt (6'), und die Sonden- Nukleinsäureoligomere (1 ) zusätzlich einen zu dem Signal-Dock-Abschnitt (6') der Signal-Nukleinsäureoligomere (2) komplementären Sonden-Dock-Abschnitt (6) besitzen, wobei der Signal-Dock-Abschnitt (6') der Signal- Nukleinsäureoligomere (2) benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt (5',) angeordnet ist. The method of claim 1, wherein the signal nucleic acid oligomers (2) additionally comprise at least one signal docking portion (6 '), and the probe nucleic acid oligomers (1) additionally comprise a signal docking portion (6') of the signal Nucleic acid oligomers (2) have complementary probe dock portion (6), wherein the signal dock portion (6 ') of the signal nucleic acid oligomers (2) adjacent to the first signal pin portion (5',) is arranged.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Signal-Dock-Abschnitt (6') der Signal- Nukleinsäureoligomere (2) nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren (10) komplementär ist. The method of claim 2, wherein the signal docking portion (6 ') of the signal nucleic acid oligomers (2) is not complementary to the target nucleic acid oligomers (10).
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Signal- Nukleinsäureoligomere (2) im Bereich des ersten Signal-Pin-Abschnitts (5') und/oder im Bereich des benachbart zu dem Signal-Pin-Abschnitt (5') angeordneten Signal-Dock-Abschnitts (6') mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel (9) modifiziert sind. Method according to one of claims 2 or 3, wherein the signal nucleic acid oligomers (2) in the region of the first signal pin portion (5 ') and / or in the region of the signal adjacent to the signal pin section (5') arranged signal -Dock portion (6 ') are modified with at least one redox-active detection label (9).
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die zwei Signal-Pin- Abschnitte (5', 5") der Signal-Nukleinsäureoligomere jeweils 4 bis 10 Basen, bevorzugt 5 bis 8 Basen aufweisen. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein the two signal pin sections (5 ', 5 ") of the signal nucleic acid oligomers each having 4 to 10 bases, preferably 5 to 8 bases.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Signal-Erkennungs- Abschnitt (8) der Signal-Nukleinsäureoligomere (2) innerhalb des Loop- Bereichs der Hairpin-Struktur zwischen den Signal-Pin-Abschnitten (5', 5") angeordnet ist. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein the signal detection section (8) of the signal nucleic acid oligomers (2) within the loop area of the hairpin structure between the signal pin sections (5 ', 5 " ) is arranged.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Signal-Pin- Abschnitt (5") der Signal-Nukleinsäureoligomere (2) nicht zu den Target- Nukleinsäureoligomeren (10) komplementär ist. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the second signal pin portion (5 ") of the signal nucleic acid oligomers (2) is not complementary to the target nucleic acid oligomers (10).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das freie Ende des zweiten Signal-Pin-Abschnitts (5") der Signal-Nukleinsäureoligomere (2) durch ein Nukleotid gebildet wird, das ein invertiertes Nukleosid oder ein di-desoxy- Nukleosid aufweist. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the free end of the second signal pin portion (5 ") of the signal nucleic acid oligomers (2) is formed by a nucleotide which is an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside having.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sonden- Nukleinsäureoligomere (1 ) in ihren Sonden-Pin-Abschnitten (5) und/oder in ihren Sonden-Dock-Abschnitten (6) zumindest ein Nukleotid aufweisen, das nicht komplementär zu den entsprechenden Signal-Pin-Abschnitten (5') und Signal-Dock-Abschnitten (6') der Signal-Nukleinsäureoligomere (2) oder der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke (14) ist. 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the probe nucleic acid oligomers (1) in their probe pin sections (5) and / or in their probe dock sections (6) have at least one nucleotide that is not complementary to the corresponding signal pin sections (5 ') and signal dock sections (6') of the signal nucleic acid oligomers (2) or the signal nucleic acid oligomer sections (14).
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke (14) in Schritt h) durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur TDET zwischen 20 °C und 60 °C, bevorzugt zwischen 30 °C und 50 °C erfolgt. 10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the detection of the formed signal nucleic acid oligomer sections (14) in step h) by an electrochemical detection method at a temperature T DET between 20 ° C and 60 ° C, preferably between 30 ° C and 50 ° C takes place.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die elektrochemische Detektion durch Amperometrie, Chronocoulometrie, Impedanzmessung oder Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) erfolgt. 1 1. Method according to one of claims 1 to 10, wherein the electrochemical detection is performed by amperometry, chronocoulometry, impedance measurement or scanning electrochemical microscopy (SECM).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere (10) in Schritt f) durch eine PCR oder durch eine isothermale Amplifikation erfolgt. 12. The method according to any one of claims 1 to 1 1, wherein the amplification of the target nucleic acid oligomers (10) in step f) by a PCR or by an isothermal amplification.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Modifikation der in Schritt a) bereitgestellten modifizierten Oberfläche in der Anbindung von mehreren Arten von Sonden-Nukleinsäureoligomeren (1 ) besteht und die verschiedenen Arten von Sonden-Nukleinsäureoligomeren (1 ) in räumlich abgetrennten Bereichen an die modifizierte Oberfläche gebunden sind. 13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the modification of the modified surface provided in step a) consists in the attachment of several types of probe nucleic acid oligomers (1) and the different types of probe nucleic acid oligomers (1) in spatially separated Regions are bound to the modified surface.
14. Signal-Nukleinsäureoligomer (1 ) zur Verwendung in einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, wobei das Signal-Nukleinsäureoligomer (1 ) einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitt (5', 5") aufweist und das Signal-14 signal nucleic acid oligomer (1) for use in a method according to claims 1 to 13, wherein the signal nucleic acid oligomer (1) a first and a second to form a hairpin structure mutually complementary signal pin section (5 ', 5 ") and the signal
Nukleinsäureoligomer (1 ) in zumindest einem der Bereiche der zwei Signal-Pin- Abschnitte (5', 5") mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel (9) modifiziert ist. Nucleic acid oligomer (1) in at least one of the areas of the two signal pin sections (5 ', 5 ") is modified with at least one redox-active detection label (9).
15. Kit zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13 umfassend eine modifizierte Oberfläche wie in den Ansprüchen 1 bis 13 definiert, eine effektive Menge an Signal-Nukleinsäureoligomeren wie in Anspruch 14 definiert und eine Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation wie in Anspruch 1 definiert. A kit for carrying out a method according to any one of claims 1 to 13 comprising a modified surface as defined in claims 1 to 13, an effective amount of signal nucleic acid oligomers as defined in claim 14 and a reaction solution for performing a nucleic acid amplification as in claim 1 Are defined.
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