WO2022058308A1 - Method and kit for detecting toxins and pathogens by ligand binding assays using deformable collodial particles - Google Patents

Method and kit for detecting toxins and pathogens by ligand binding assays using deformable collodial particles Download PDF

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WO2022058308A1
WO2022058308A1 PCT/EP2021/075233 EP2021075233W WO2022058308A1 WO 2022058308 A1 WO2022058308 A1 WO 2022058308A1 EP 2021075233 W EP2021075233 W EP 2021075233W WO 2022058308 A1 WO2022058308 A1 WO 2022058308A1
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partner
particle
binding partner
analyte binding
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PCT/EP2021/075233
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Lisa Hannusch
Gerhard RÖDEL
Christian Dahmann
Kai Ostermann
Tilo Pompe
David Rettke
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Technische Universität Dresden
Universität Leipzig
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    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54313Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being characterised by its particulate form
    • G01N33/54346Nanoparticles
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
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    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/544Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being organic
    • G01N33/545Synthetic resin
    • G01N33/546Synthetic resin as water suspendable particles

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting analytes by means of an immobilized analyte binding partner and deformable particles and a kit and their use for detecting toxins and pathogens, in particular metal ions, viruses or bacteria in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, personal care products , cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids.
  • toxins and pathogens in particular metal ions, viruses or bacteria in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, personal care products , cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids.
  • EP 2 752 664 A1 or WO 2014/106 665 A1 discloses an alternative method for detecting analytes by immobilizing an analyte on hydrogel particles which subsequently interact with a ligand immobilized on a surface. Depending on the degree of interaction, the hydrogel particles are deformed by attachment to the surface, so that the deformation is detected using reflection interference contrast microscopy. This allows the analyte to be detected or characterized.
  • DE 10 2018 130 134 A1 describes a competitive detection method for the detection of low-molecular analytes, in particular glyphosate, using a surface functionalized with an analyte binding partner and a deformable particle, functionalized with a competitor, a fusion protein with a hydrophobin domain is used. Detection is by means of reflection interference contrast microscopy.
  • US 2014/0255916 A1 discloses a method and a kit for measuring the ability of a test sample to inhibit the binding of a pathogen receptor, preferably a sialic acid receptor, to a host cell ligand of the pathogen.
  • the method comprises an immobilized receptor which is contacted with a test sample and a particle reagent containing the ligand, preferably sialic acid, the particle reagent being a biological reagent selected from erythrocytes, erythrocyte vesicles, erythrocyte ghost cells, membrane fragments, membrane vesicles, proteins and combinations, in particular in form of colloids, beads or combinations thereof; wherein the particle is coated and/or magnetic, electrically conductive and/or semiconductive. The amount of particle reagent bound to the surface is then measured.
  • WO 00/14538 A1 discloses a linker-assisted immunoassay for glyphosate and a method for producing glyphosate antibodies comprising the production of glyphosate conjugates with a carrier molecule, preferably porcine thyroglobulin, bovine serum albumin, human serum albumin, ovalbumin or limpet hemocyanin; and immunizing a host with the conjugate.
  • a carrier molecule preferably porcine thyroglobulin, bovine serum albumin, human serum albumin, ovalbumin or limpet hemocyanin
  • the linker-assisted immunoassay for detecting the analyte in a test sample comprises preparing a linker-analyte conjugate using a test sample, contacting it with a glyphosate antibody, and contacting the test sample with a solid phase having an immobilized second carrier molecule covalently bound to glyphosate, coupled to a glyphosate derivative or a glyphosate salt.
  • the second carrier molecule is selected from porcine thyroglobulin, bovine serum albumin, human serum albumin, ovalbumin or sloth limpet hemocyanin, but differs from the first carrier molecule used to produce the glyphosate antibody.
  • the amount of bound antibody is then determined on the solid phase, which is indirectly proportional to the amount of glyphosate in the test sample.
  • the detection is preferably carried out by means of enzymatic detection, the antibody being conjugated with biotin and a labeled enzyme which binds biotin being added.
  • the enzyme is preferably alkaline phosphatase or horseradish peroxidase.
  • a disadvantage of the competitive detection methods, as disclosed in EP 2 752 664 A1, US 2014/0255916 A1, WO 00/14538 A1, is that the direct immobilization of different analytes due to e.g. B. the small size, availability, toxicity or pathogenicity is not possible.
  • an indirect detection is chosen for analytes that are no longer sterically accessible during the interaction with their analyte binding partner.
  • the most common indirect test is an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA).
  • ELISA enzyme-linked immunosorbent assay
  • An ELISA is understood to mean an antibody-based detection method (assay) in which quantification is carried out by means of an enzymatic color reaction.
  • the disadvantage of an ELISA is that it depends on the availability of suitable antibodies.
  • the object of the present invention is therefore to provide an easy-to-handle, cost-effective and rapid method for the quantitative detection of analytes which cannot be immobilized.
  • the object is solved by the features of the independent claims. Advantageous configurations are specified in the dependent claims.
  • a first aspect of the invention relates to a method for detecting an analyte selected from toxins and pathogens, comprising the steps: a) providing a surface with an immobilized analyte binding partner, the analyte binding partner being able to interact with the analyte, b) providing an interaction partner , wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, wherein the interaction partner is able to interact with the analyte, c) contacting the surface with an aqueous solution containing the analyte, wherein the analyte interacts with the analyte binding partner, wherein a complex of analyte binding partner and analyte is formed, d) contacting the surface with the interaction partner, the interaction partner interacting with the complex of analyte binding partner and analyte, with a deformation of the deformable particle taking place, and e) detection of the deformation of the d deformable particle
  • the method according to the invention takes place with a sequence of steps a) and b), c), d) and e), steps a) and b) being carried out simultaneously or in the sequence a) and then b) or b) and then a) take place.
  • the surface with the immobilized analyte binding partner comes into contact with the analyte (step c) and the interaction partner (step d) at the same time.
  • analytes are detected which are capable of interacting with at least one analyte binding partner and one interaction partner.
  • interaction is understood to mean a reversible interaction, in particular due to coordinate bonds, ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals forces and hydrophobic effects.
  • the analyte binding partner and the interaction partner can be identical or different.
  • an interaction between the deformable particle and the surface is only possible when the analyte is present in the aqueous solution. If such an interaction between the particle and the surface takes place, the particle deforms.
  • the particle deformation can thus be used for qualitative analysis or for quantification of the analyte.
  • a detection of analytes is advantageously possible with the method according to the invention compared to a competitive detection method, the direct immobilization due to z.
  • the analyte is a metal particle or a metal ion, preferably Cu(I), Cu(II), Co(II), or Zn(II); a virus, preferably bacteriophage or Circoviridae; a bacterium or a biomarker.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide, a nucleic acid or derivatives thereof.
  • analyte binding partners and interaction partners selected from metal or metal ion-binding peptides or proteins, chelating agents, enzymes, membrane proteins, lipopolysaccharides, nucleic acids or their derivatives, enable the simultaneous interaction of the analyte with the analyte binding partner and the interaction partner.
  • metal or metal ion-binding peptide or protein is understood to mean peptides or proteins which enter into attractive interactions (electrostatic interactions, van der Waals interactions, hydrophobic interactions) with metals or metal ions. Metal ions are positively charged ions of metals.
  • the metal ion binding protein is a metal ion binding transport protein.
  • chelating agent is understood to mean chemical compounds which form at least two coordinate bonds with a metal ion or metal atom.
  • the chelating agent is diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,N',N",N"'-tetraacetic acid (DOTA), mercaptoacetyltriglycine (MAG3), 6-hydrazinopridine-3-carboxylic acid (Hynic), Hydroxybenzylethylenediamine (HBED), N,N'-bis[2-hydroxy-5-(carboxyethyl)benzyl]ethylenediamine-N,N-diacetic acid (HBED-CC) or 2-(3-(1-carboxy- 5-[(6-fluoro-pyridine-3-carbonyl)-amino]-pentyl)-ureido)-pentanedicarboxylic acid (DCFPyL).
  • DTPA diethylenetriaminepentaacetic acid
  • DOTA 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,
  • membrane protein is understood to mean proteins which are associated with the cell membrane or a biomembrane of cell compartments or organelles of a cell.
  • membrane proteins are peripheral membrane proteins (also surface proteins) which are bound to the membrane surface, or integral membrane proteins which are integrated with a hydrophobic component in the double lipid layer of the membrane or span the membrane as a transmembrane protein.
  • lipopolysaccharides refers to molecules that consist of different regions.
  • the region that serves to anchor the LPS to the hydrophobic region of the bacterial outer membrane is lipid A, consisting mostly of N-acetylglucosamine with attached fatty acids.
  • the polysaccharide moiety contains a "core" polysaccharide and a region of repeating sugar moieties.
  • nucleic acid is understood to mean macromolecules made up of nucleotides with a sugar-phosphate backbone.
  • the nucleic acid is a ribonucleic acid (RNA) or a deoxyribonucleic acid (DNA).
  • derivative means a molecule, in particular a metal ion-binding peptide, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid; having a high degree of structural identity with the molecule, preferably the same backbone, wherein at least one atom, group of atoms, functional group or substructure is replaced by another atom, group of atoms, functional group or substructure, e.g an alkyl group, especially methyl group; a glucuronic acid group, a halogen, a hydroxyl group or a sulfate group.
  • Derivatives advantageously interact with the analyte.
  • Derivatives also expediently include peptides or proteins with a sequence identity of at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, with the difference in the amino acid sequence of at most 10%, preferably at most 5%, particularly preferably at most 1%, in particular a shortening of the amino acid sequence , an extension of the amino acid sequence and/or a replacement of individual amino acids.
  • the peptide derivatives or protein derivatives preferably have a sequence identity of at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, outside the binding sites of the analyte binding partner or interaction partner for the analyte and a sequence identity of the binding sites of the analyte binding partner or interaction partner for the analyte of 100%.
  • peptide or protein derivatives include D-amino acids, pseudopeptide bonds, amino alcohols, non-proteinogenic amino acids, amino acids with modified side chains, and/or circular peptides.
  • nucleic acid derivatives are selected from peptide nucleic acids, such as ⁇ -peptide nucleic acids.
  • the interaction partner interacts with the complex of analyte binding partner and analyte.
  • the interaction partner interacts with the analyte or with the analyte and with the analyte binding partner.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are identical.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are different.
  • the selectivity of the detection can be increased by using different analyte binding partners and interaction partners.
  • the analyte binding partner is immobilized on the surface via a protein domain selected from hydrophobins, ECM proteins, S-layer proteins, peptide linkers and protein tags, or via a polymer linker, e.g. B. Polyethylene glycol (PEG). This enables directed immobilization on the surface.
  • immobilized is understood to mean an irreversible or pseudo-irreversible bond comprising covalent, coordinate, metallic, ionic bonds, hydrogen bonds and/or van der Waals interactions.
  • the immobilization takes place by covalent binding via a functional group of the analyte binding partner.
  • functional group means an atomic group in a compound that determines the reaction behavior of the compound.
  • functional groups are functional groups comprising heteroatoms (O, N, S, P or halogens), in particular carboxylic acids, halides, thiocarboxylic acids, sulfonic acids, thiolesters, sulfoxides, carboxylic acid anhydrides, carboxylic acid esters, carboxamides, nitriles, aldehydes, thioaldehydes, ketones, thioketones , oximes, hydrazones, alcohols, thiols, amines, imines, hydrazines, ethers or thioethers; and functional groups without heteroatoms, in particular double bonds, triple bonds or aromatics.
  • heteroatoms O, N, S, P or halogens
  • the analyte binding partner is a fusion protein.
  • the fusion protein has, for example, different protein domains which have different functionalities, in particular an analyte binding site and a protein domain selected from hydrophobins, ECM proteins, S-layer proteins, peptide linkers and protein tags.
  • the analyte binding site serves to bind the analyte to the analyte binding partner.
  • the analyte binding partner is preferably a fusion protein with a protein tag or hydrophobin, particularly preferably a fusion protein with a His tag.
  • the analyte binding partner is immobilized on the surface from a solution, in particular an aqueous solution.
  • the analyte is a metal particle, in particular a metal nanoparticle, or a metal ion, in particular a heavy metal particle or heavy metal ion.
  • the term "heavy metal” means a metal with a density of at least 4.5 g/ cm3 , in particular antimony, arsenic, lead, cadmium, chromium, iron, germanium, gold, cobalt, copper, manganese, molybdenum, nickel, Platinum, polonium, mercury, rhodium, selenium, silver, tantalum, thallium, titanium, vanadium, bismuth (bismuth), zinc, tin or zircon.
  • a disadvantage is that many heavy metals are harmful or toxic to the human organism even in slight overconcentrations.
  • the analyte is a metal ion, particularly a monovalent or divalent metal ion.
  • the analyte is Cu(I), Cu(II), Co(II), or Zn(II).
  • a concentration of 100 pM Cu(I) could advantageously be detected with the method according to the invention.
  • the limit of detection (LOD) below a concentration of 100 pM Cu(I) is also advantageous.
  • detection limit is understood to mean the lowest possible concentration at which the method according to the invention can detect an analyte within the aqueous solution with a certain degree of confidence.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, in particular a metal ion-binding transport protein, and a chelating agent.
  • metal-binding or metal ion-binding peptides or protein are provided using phage display.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are selected from Cox17 and Sco1, depending on one another.
  • the analyte binding partner comprises Cox17 and the interaction partner comprises Sco1, preferably a truncated mutant of Sco1 lacking a transmembrane domain.
  • the analyte binding partner comprises Sco1 and the interaction partner comprises Cox17.
  • the term "Sco1" refers to a chaperone of cytochrome c oxidase in the mitochondrial respiratory chain.
  • the truncated mutant of Sco1 lacking a transmembrane domain has the amino acid sequence SEQ ID no. 1 on.
  • Cox17 means a copper transport protein.
  • Cox17 has the amino acid sequence SEQ ID no. 2 on.
  • the interaction partner Cox17 is attached to the deformable particle by means of hydrophobin functionalization, preferably with the amino acid sequence SEQ ID no. 3 or SEQ ID no. 4 tied.
  • the analyte binding partner Sco1 is immobilized by means of a His tag on the functionalized surface, preferably with the amino acid sequence SEQ ID no. 5.
  • the analyte is a virus, preferably a bacteriophage, such as M13 and ⁇ t>X174; or Circoviridae.
  • virus is understood to mean infectious organic structures comprising a nucleic acid, in particular DNA or RNA.
  • the virus is present as a virion, preferably outside cells (extracellular), or as a virus in the form of a nucleic acid, preferably inside a suitable host cell (intracellular).
  • the virion comprises a nucleic acid, in particular DNA or RNA, and an enclosing protein capsule (capsid) or a ribonucleoprotein.
  • the virion comprises a lipid bilayer containing viral membrane proteins.
  • bacteria refers to viruses that specialize in bacteria as host cells.
  • M13 refers to a filamentous bacteriophage consisting of single-stranded, circular DNA (ssDNA) of positive polarity, which comprises 6407 nucleotides and has approximately 2700 copies of the major coat protein P8 and 5 copies of two different minor coat proteins (P9, P6 , P3) is encapsulated at the ends. M13 infects Escherichia coli (E. coli).
  • ⁇ t>X174 means a bacteriophage consisting of a single-stranded, circular DNA (ssDNA) which comprises 5386 nucleotides. X174 infects Escherichia coli (E. coli).
  • Circoviridae is understood to mean a virus family which has single-stranded, circular DNA with negative or ambisense polarity as a genome and non-enveloped capsids.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently composed of a membrane protein, a lipopolysaccharide, a nucleic acid, in particular a single-stranded DNA (ssDNA) or microRNA (miRNA); or their derivatives selected.
  • ssDNA single-stranded DNA
  • miRNA microRNA
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently composed of a protein according to Letarov and Kulikov, in particular a receptor from Table 1; Silva et al., in particular a receptor from Tables 1 to 3; Stone et al., in particular a receptor from Table 1; selected (Letarov and Kulikov 2017, Silva et al. 2016, Stone et al. 2019).
  • the analyte is a biomarker, in particular a protein- and/or carbohydrate-based tumor marker or an endotoxin; or a bacterium.
  • biomarker is understood to mean molecules which indicate toxins, pathogens or diseases, in particular components of pathogens, cells, genes or gene products, preferably tumor markers or endotoxins.
  • endotoxins is understood to mean lipopolysaccharides which are decomposition products of bacteria, in particular of the outer cell membrane of gram-negative bacteria or cyanobacteria. Endotoxins can trigger health or life-threatening physiological reactions in humans and some animal species.
  • bacteria is understood to mean prokaryotes which have a cell membrane enclosing the DNA, the cytoplasm and the ribosomes, the DNA being freely present in the cytoplasm as a densely packed, self-contained molecule. Furthermore, bacteria have an RNA polymerase consisting of 5 subunits (a (2x), ß, ß' and w).
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a peptide, a protein, an enzyme, a nucleic acid or derivatives thereof.
  • the analyte binding partner and the interaction partner comprises the active site or substrate binding domain of an enzyme, e.g. a sushi peptide.
  • ushi peptide refers to an endotoxin binding site of factor C, a lipopolysaccharide-sensitive serine protease of the horseshoe crab.
  • the analyte binding partner and/or the interaction partner is sushi peptide S1 and/or S3.
  • Another aspect of the invention relates to a combinatorial method for detecting an analyte selected from toxins and pathogens, comprising the steps: a) providing at least two different surfaces with at least two different immobilized analyte binding partners, one analyte binding partner being immobilized on a surface, wherein the at least two different analyte binding partners are capable of interacting with the analyte, b) providing an interaction partner, wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, wherein the interaction partner is capable of interacting with the analyte, c) contacting the at least two surfaces each with an aqueous solution containing an analyte selected from toxins and pathogens, wherein the analyte interacts with the at least two analyte binding partners, with a complex of analyte binding partner and Analyte is formed, d) contacting the at least two surfaces with the interaction partner, with the interaction partner interacting with the complex
  • the deformable particle is a functionalized particle, with the surface of the deformable particle having a functionalization, in particular functional groups such as carboxyl or amino groups.
  • the functionalization serves to immobilize the interaction partner.
  • the deformable particle is a hydrogel particle, preferably a polyethylene glycol hydrogel particle.
  • the deformable particle has a diameter of 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably a diameter of about 25 ⁇ m.
  • the diameter of the deformable particles can be determined by bright field optical microscopy.
  • the deformable particle has a modulus of elasticity in the range from 10 kPa to 100 kPa, particularly preferably in the range from 15 kPa to 50 kPa; on.
  • a high sensitivity is advantageously ensured by the modulus of elasticity in the range from 15 kPa to 50 kPa.
  • an uneven deformation of the particles is advantageously ruled out.
  • the modulus of elasticity of the deformable particles can be determined from atomic force spectroscopy (SFM) force-distance curves.
  • the deformable particle has carboxy functionalization.
  • the synthesis and carboxy functionalization of the deformable particles, in particular the hydrogel microparticles takes place according to the Pussak et al. (Pussak et al. 2012) via emulsion and radical precipitation polymerization of polyethylene glycol diacrylamide or polyethylene glycol diacrylate with subsequent radical grafting of acrylic acid monomers, crotonic acid monomers or other alkene derivatives with functional groups such as amines to introduce the carboxyl, amino or other functional groups.
  • the synthesis and carboxy functionalization of the particles takes place microfluidically by means of photoinitiated radical crosslinking of polyethylene glycol diacrylamide or polyethylene glycol diacrylate (preferred molecular weight in the range from 500 Da to 8,000 Da, particularly preferably about 4,000 Da) with subsequent photoinitiated radical Grafting of acrylic acid monomers to introduce the carboxyl groups, producing monodisperse particles with a diameter in the range from 10 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably around 25 ⁇ m.
  • the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group.
  • the interaction partner is bound to the deformable particle via a linker, the linker having a contour length in the range from 5 ⁇ to 200 ⁇ , preferably in the range from 10 ⁇ to 65 ⁇ ; and/or a degree of polymerization in the range from 1 to 70, preferably in the range from 3 to 20; having.
  • the linker is attached to the functionalized particle surface.
  • a linker molecule advantageously enables the interaction partner to be immobilized appropriately via a functional group, with the coupling group influencing the functionality and sensitivity of the method according to the invention. Furthermore, the resulting affinity of the immobilized interaction partner can advantageously be varied via the length or the degree of polymerization of the linker, and the working range of the method according to the invention can thus be adjusted.
  • the linker is selected from the groups of homo- and heterobifunctional linkers and includes ethylene diamine, oligo- and polyethylene glycol diamines, peptides such as pentaglycine and amino acids or a bifunctional linker with other groups such as thiols or azides.
  • the linker is a polyethylene glycol diamine linker.
  • the linkers contain protecting groups.
  • the protecting group is selected from fluorenylmethoxycarbonyl, tert-butyloxycarbonyl or tert-butyl protecting groups.
  • the protective groups advantageously ensure that no undesired polymerization of the linker molecules or cross-linking of the deformable particles occurs.
  • the detection is carried out using a quartz crystal microbalance (QCM), surface plasmon spectroscopy (SPR), atomic force spectroscopy (SFM), impedance spectroscopy or reflection interference contrast microscopy.
  • QCM quartz crystal microbalance
  • SPR surface plasmon spectroscopy
  • SFM atomic force spectroscopy
  • impedance spectroscopy or reflection interference contrast microscopy.
  • the detection preferably takes place by means of reflection interference contrast microscopy (RICM).
  • RCM reflection interference contrast microscopy
  • Reflectimming interference contrast microscopy is a light microscopic method for determining layer thicknesses using interference patterns, which are created by light reflected at the upper and lower boundary surface of the layer.
  • the contact radii a of the particle and surface as well as the particle radii R HGS are automatically determined using software specially developed for this purpose. According to the Johnson-Kendall-Roberts model (Johnson et al. 1971), these quantities are related to the adhesion energy W adh in the following way:
  • the determined adhesion energy corresponds to the binding density of the particle-bound interaction partner to the analyte and allows the amount of analyte in the sample to be determined.
  • the surface is transparent, semitransparent or opaque. In further embodiments, the surface is transparent at least in the range from 400 nm to 600 nm.
  • the surface is planar.
  • the surface can be a glass or plastic molding, e.g. B. a slide, coverslip, silicon wafer or the like.
  • the surface is designed as a well plate, in particular a 16-well or 96-well plate.
  • the sample is an aqueous solution.
  • the aqueous solution has a salt concentration in the range from 0 mmol/l to 300 mmol/l, preferably in the range from 90 mmol/l to 180 mmol/l, particularly preferably in the range from 98 mmol/l to 154 mmol/l; on.
  • the aqueous solution is isotonic saline.
  • isotonic saline solution means a saline solution that has the same osmotic pressure as human blood.
  • the aqueous solution has a pH in the range from pH 2.5 to pH 9, preferably in the range from pH 4 to pH 8; on.
  • body fluids such as saliva samples, blood samples, blood plasma samples, blood serum samples, urine samples or mucus samples
  • body fluids such as saliva samples, blood samples, blood plasma samples, blood serum samples, urine samples or mucus samples
  • Water samples drinking water samples, waste water samples, samples from chemical production processes, extracted soil samples, food samples, animal feed samples, samples from biological and biochemical production processes, fermentation solutions, detergent samples, dishwashing liquid samples, body care product samples, cosmetic samples or pharmaceutical samples.
  • the aqueous solution is expediently free from suspended matter.
  • the aqueous solution is filtered before the method according to the invention, in particular before step c) of the method according to the invention.
  • the method can be carried out at a temperature that avoids freezing and denaturing of the analyte, the analyte binding partner and the interaction partner.
  • the method according to the invention is carried out at a temperature in the range from 0° C. to 40° C., preferably at room temperature (20° C.).
  • the method according to the invention has at least one further step, the at least one further step being selected from a calibration with the analyte and the determination of a reference value.
  • calibration is understood to mean a detection of different standard solutions of the analyte with different concentrations using the method according to the invention and the determination of a calibration line. Instrumental errors and matrix effects are advantageously excluded by a calibration. In embodiments, the calibration is done with an internal standard or an external standard.
  • reference value means a sample without an analyte comprising the same matrix.
  • kits comprising: i. at least one surface with an immobilized analyte binding partner, wherein the analyte binding partner is capable of interacting with an analyte selected from toxins and pathogens, and ii. at least one deformable particle having an immobilized interaction partner, the interaction partner being bound to the deformable particle via a functional group, the interaction partner being able to interact with the analyte.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are identical or different.
  • the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid.
  • the deformable particle is a hydrogel particle.
  • the surface is transparent, semi-transparent or opaque. In further embodiments, the surface is transparent at least in the range from 400 nm to 600 nm.
  • the surface is designed to be planar.
  • the surface can be a glass or plastic molding, e.g. B. a slide, coverslip, silicon wafer or the like.
  • the surface is designed as a well plate, in particular a 16-well or 96-well plate.
  • the kit according to the invention comprises at least two different surfaces with at least two different immobilized analyte binding partners, one analyte binding partner being immobilized on a surface, the at least two different analyte binding partners being able to interact with the analyte selected from toxins and pathogens, and at least one deformable particle having an immobilized interaction partner, the interaction partner being bound to the deformable particle via a functional group, the interaction partner being able to interact with the analyte.
  • the subject matter of the invention is also the use of the method according to the invention and/or the kit according to the invention for the detection of toxins and pathogens in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, body care products, cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, Water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids such as blood plasma, blood serum or urine samples.
  • toxins and pathogens are detected in aqueous solutions.
  • process water means an aqueous solution in technical production processes. Expediently, individual parameters of the process water in the circuit are examined.
  • the method according to the invention and/or the kit according to the invention is used for the detection of toxins and pathogens in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, body care products, cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, water , drinking water and/or waste water samples and/or body fluids such as blood plasma, blood serum or urine samples; by means of the steps a) providing at least one surface with an immobilized analyte binding partner, the analyte binding partner being able to interact with the analyte, b) providing an interaction partner, wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, the interaction partner being able is to interact with the analyte, c) contacting the surface with an aqueous food, feed, detergent, dishwashing liquid, personal care product, cosmetic, pharmaceutical, process water, soil, body of water, drinking water and/or or waste water sample and/or body fluid, d) contacting the surface with the interaction partner, with deformation of the deformation of the
  • the deformable particle 1 in particular a hydrogel particle, is functionalized with the interaction partner 4 and the surface 2, in particular a glass chip, with the analyte binding partner 5, in particular via a self-assembling protein 6.
  • the interaction partner 4 and the surface 2 in particular a glass chip
  • the analyte binding partner 5 in particular via a self-assembling protein 6.
  • the analyte 3 there is an interaction between 4 and 5 and consequently a deformation of the deformable particle 1. This can be measured by the radius of the contact surface (a) from the reflection interference contrast microscopy (RICM) image.
  • RCM reflection interference contrast microscopy
  • Rough lipopolysaccharide core oligosaccharide and lipid A
  • EH100 strand the functional group (amino group) for the immobilization of the deformable particles is circled.
  • Fig. 3 Rough lipopolysaccharide 3-deoxy-d-manno-octulonic acid lipid A (KdO2-Lipid A) circled is the functional group (carboxy group) for the immobilization of the deformable particles.
  • the principle of the detection method is shown in FIG.
  • the immobilized analyte binding partners on the surface interact attractively with the analyte and the analyte with the particle-bound interaction partner, resulting in a characteristic contact area between the surface and the particle. Depending on the concentration of the analyte, this increases the contact area.
  • the contact and particle radius to determine the adhesion energy is determined using reflection interference contrast microscopy.
  • Droplet-based templating is used to create microgel particles with a defined size and shape.
  • the experimental setup requires two high-precision syringe pumps (one for the oil phase and one for the aqueous phase), a microfluidic flow cell with flow-focusing geometry (25 pm at the droplet-forming nozzle), a simple light microscope, and a high-speed camera for single-drop observations.
  • the first dispersion phase solution contains 10% by weight PEG-diacrylamide (4-8 kDa) mixed with 1% by weight LAP (lithium phenyl 2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate), both dissolved in ultrapure water.
  • the continuous phase contains 2% by weight of a tenside (perfluoropolyether eg polyhexafluoropropylene oxide, alternatively polyacrylonitrile butadiene acrylate) which is dissolved in the fluorinated oil HFE 7500.
  • a tenside perfluoropolyether eg polyhexafluoropropylene oxide, alternatively polyacrylonitrile butadiene acrylate
  • HFE 7500 fluorinated oil
  • the particles were centrifuged again, the supernatant was discarded and a 20% piperidine/water mixture was added. After 15 minutes of reaction, the particles were again centrifuged and rinsed several times with distilled water and HEPES buffer.
  • Exemplary embodiment 1 detection of copper(I) ions
  • the copper-dependent interaction between a copper transport protein, Cox17, and a chaperone of the cytochrome c oxidase in the mitochondrial respiratory chain, Sco1, is used to detect Cu(I) ions.
  • Horng et al describe that Cox17 transfers Cu(l) to Sco1 in the membrane space of the mitochondrion (Horng et al. 2004).
  • the truncated version of Sco1 without a transmembrane domain with a His tag is used as the interaction partner and Cox17 as the analyte binding partner.
  • cover slips (Menzel glasses, 0 32 mm) were placed in a Teflon rack and left in an ultrasonic bath with distilled water for 30 min. After rinsing three times with distilled water, the glasses were cleaned for a further 30 min in denatured ethanol using an ultrasonic bath. The coverslips were then rinsed three times with distilled water. Further purification was performed using a mixture of 50 mL H2O2 (35%), 50 mL 25% aqueous NHs solution and 250 mL distilled water, for a total volume of 350 mL. The solution was heated to 60°C on a hot plate and the Teflon rack with the coverslips was left in the solution for 10 minutes. After rinsing twice with distilled water, the coverslips were dried in a stream of nitrogen.
  • a 20 mM 3-aminopropyltriethoxysilane solution in 9:1 (v/v) isopropanol/distilled water was prepared (225 ml isopropanol, 25 ml distilled water and 1.16 ml APTES).
  • the Teflon rack with the cover glasses was then left in the solution for 120 min, rinsed thoroughly with isopropanol and dried in a stream of nitrogen. Thereafter, the cover slips were placed in a Petri dish and heated at 120 ° C. for 60 min.
  • the coverslips were left in 250 ml of a 240 mM succinic anhydride solution (6 g in 250 ml) in tetrahydrofuran (THF) (6 g in 250 ml) for 1 h (room temperature), then twice with THF and once washed with water and dried in a stream of nitrogen.
  • THF tetrahydrofuran
  • NTA-NH2 N-hydroxysulfo-succinimide
  • the surfaces were then washed several times with distilled water, covered with 1.5 ml each of a 20 mM NiCh solution in citrate buffer, and after 30 minutes with distilled water rinsed and dried in a stream of nitrogen.
  • the citrate buffer prevents unwanted precipitation of the nickel.
  • the Ni-NTA coating allows the immobilization of a protein with a hexahistidine sequence.
  • the surfaces according to the invention were first glued to a 16-well I-carrier (CS16-CultureWellTM, Grace Biolabs) with a self-adhesive underside and a volume of 400 ⁇ l/well, and the wells were filled twice with 250 ⁇ l loading buffer (150 mM Na2HPO4, 10 mM imidazole, pH 8.0).
  • CS16-CultureWellTM Grace Biolabs
  • 250 ⁇ l loading buffer 150 mM Na2HPO4, 10 mM imidazole, pH 8.0.
  • At least a copper(I) concentration of 100 pM Cu(I) can be detected.
  • Bacteriophage 0X174 interact with the lipopolysaccharides (LPS) on the surface of Escherichia coli host cells. Therefore, to detect bacteriophage 0X174, the LPS are isolated (see Sun et al. 2014, Sun et al. 2017, Schön et al. 1995) and immobilized on a glass slide and on a deformable particle, in particular a hydrogel particle, for coating the surface.
  • LPS lipopolysaccharides
  • LPS can be isolated using various methods (see Davis and Goldberg 2012, Henderson et al. 2013, Westphal and Lüderitz 1954).
  • the deformable particles, in particular the hydrogel probes are coated by COOH activation using EDC/NHS and the coupling of rough lipopolysaccharides (core oligosaccharide and lipid A, EH100 strand) (see FIG. 2).
  • EDC/NHS rough lipopolysaccharides
  • KdO2-Lipid A is coupled (see Fig. 3) (Wang et al. 2015).
  • microRNA in particular miR-335, miR-193b or miR-302, of different pathological and physiological states are detected with the method according to the invention.
  • a y-peptide nucleic acid (y-PNA) of a segment of a complementary sequence of the target miRNA is terminally coupled to the surface via linkers, in particular a PEG linker, and another part of a y-PNA complementary to the target miRNA is terminally coupled by means Linkers, in particular PEG linkers, attached to the deformable particle.
  • linkers in particular PEG linkers
  • endotoxins will be detected in analyte solutions.
  • sushi peptides in particular S1 and S3, are immobilized on the surface and on the deformable particles, which are derived from the factor C sushil and sushi3 domain and specifically bind lipopolysaccharides from Gram-negative bacteria (Ding et al. 2008 ).
  • a terminal coupling of the peptides takes place via an inserted biotin on the streptavidin-modified surface and the particle.
  • the specific interaction of the lipopolysaccharides is then quantitatively detected via the adhesion and deformation of the microparticle on the surface using reflection interference microscopy as a function of the presence of the lipopolysaccharides in the analyte solution.
  • the surface for example a glass surface, and the particles were coated, they could be used for reflection interference contrast microscopy (RICM).
  • RCM reflection interference contrast microscopy
  • the radial intensity profiles of the hydrogel particles on the functionalized surface were recorded using the reflection interference contrast method using an inverted microscope system (Olympus IX 73) with a 60x immersion objective (Olympus UPlanSAPO 60x Oil Microscope Objective). From the recorded profiles, contact radii a of particles and surface as well as the particle radii R HGS could then be automatically determined using software specially developed for this purpose. According to the Johnson-Kendall-Roberts model, these quantities are related to the adhesion energy W adh as follows (Johnson et al. 1971):
  • a deformable particle has a modulus of elasticity E HGS of 15 kPa and a Poisson's ratio v of 0.5, from which the corresponding adhesion energy of the system can be determined if the particle and contact radius are known.

Abstract

The invention relates to a method for detecting analytes by means of an immobilised analyte binding partner and deformable particles, as well as to a kit and to their use for the detection of toxins and pathogens, in particular metal ions, viruses or bacteria in food, animal feed, detergent, dishwashing detergent, personal care, cosmetics, pharmaceutical products, process water, soil, water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids.

Description

VERFAHREN UND KIT ZUM NACHWEIS VON TOXINEN UND PATHOGENEN DURCH LIGANDEN-BINDUNGSTESTS MITTELS DEFORMIERBARER KOLLOID PARTIKELN METHOD AND KIT FOR THE DETECTION OF TOXINS AND PATHOGENS BY LIGAND BINDING ASSAYS USING DEFORMABLE COLLOID PARTICLES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis von Analyten mittels eines immobilisierten Analytbindungspartners und deformierbarer Partikel sowie ein Kit und deren Verwendung zum Nachweis von Toxinen und Pathogenen, insbesondere Metallionen, Viren oder Bakterien in Lebensmittel-, Futtermittel-, Waschmittel-, Spülmittel-, Körperpflegemittel-, Kosmetik-, Pharmaka-, Prozesswasser-, Boden-, Gewässer-, Trinkwasser- und/oder Abwasserproben und/oder Körperflüssigkeiten. WO 2014/ 106 665 Al The invention relates to a method for detecting analytes by means of an immobilized analyte binding partner and deformable particles and a kit and their use for detecting toxins and pathogens, in particular metal ions, viruses or bacteria in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, personal care products , cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids. WO 2014/106 665 A1
Der Nachweis von niedermolekularen Analyten gestaltet sich aktuell problematisch. Beispielsweise für den Nachweis von Kupfer in Trinkwasser existieren mehrere Möglichkeiten, unter anderem sind günstige Vor-Ort-Tests verfügbar, welche jedoch toxische Substanzen verwenden. Genauere Nachweisverfahren erfordern die technisch aufwändige Analyse in einem speziell ausgerüsteten Messlabor. The detection of low-molecular analytes is currently problematic. For example, there are several options for detecting copper in drinking water, including inexpensive on-site tests that use toxic substances. More precise detection methods require technically complex analysis in a specially equipped measurement laboratory.
EP 2 752 664 A1 bzw. WO 2014/106 665 A1 offenbart ein alternatives Verfahren zur Detektion von Analyten mittels der Immobilisierung eines Analyten an Hydrogelpartikel, welche nachfolgend mit einem auf einer Oberfläche immobilisierten Liganden interagieren. Abhängig vom Grad der Interaktion erfolgt eine Deformierung der Hydrogelpartikel durch Anlagerung an die Oberfläche, sodass die Deformierung mittels Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie erfolgt. Dadurch kann eine Detektion bzw. Charakterisierung des Analyten erfolgen. EP 2 752 664 A1 or WO 2014/106 665 A1 discloses an alternative method for detecting analytes by immobilizing an analyte on hydrogel particles which subsequently interact with a ligand immobilized on a surface. Depending on the degree of interaction, the hydrogel particles are deformed by attachment to the surface, so that the deformation is detected using reflection interference contrast microscopy. This allows the analyte to be detected or characterized.
DE 10 2018 130 134 A1 beschreibt ein kompetitives Nachweisverfahren zum Nachweis von niedermolekularen Analyten, insbesondere Glyphosat, mittels einer Oberfläche, funktionalisiert mit einem Analytbindungspartner, und einem deformierbaren Partikel, funktionalisiert mit einem Kompetitor, wobei zur Funktionalisierung der Oberfläche bevorzugt ein Fusionsprotein mit einer Hydrophobin-Domäne verwendet wird. Die Detektion erfolgt mittels Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie. DE 10 2018 130 134 A1 describes a competitive detection method for the detection of low-molecular analytes, in particular glyphosate, using a surface functionalized with an analyte binding partner and a deformable particle, functionalized with a competitor, a fusion protein with a hydrophobin domain is used. Detection is by means of reflection interference contrast microscopy.
US 2014/0255916 A1 offenbart ein Verfahren und einen Kit zur Messung der Fähigkeit einer Testprobe, die Bindung eines Pathogen-Rezeptors, bevorzugt ein Sialinsäurerezeptor, zu einem Wirtszellliganden des Pathogens zu inhibieren. Das Verfahren umfasst einen immobilisierten Rezeptor, welcher mit einer Testprobe und einem Parti kelreagenz enthaltend den Liganden, bevorzugt Sialinsäure, kontaktiert wird, wobei das Partikelreagenz ein biologisches Reagenz, ausgewählt aus Erythrozyten, Erythrozytenvesikeln, Erythrozytengeisterzellen, Membranfragmenten, Membranvesikeln, Proteinen und Kombinationen, insbesondere in Form von Kolloiden, Beads oder Kombinationen daraus sein kann; wobei der Partikel beschichtet und/oder magnetisch, elektrisch leitfähig und/oder halbleitend sein kann. Anschließend erfolgt die Messung der Menge des an der Oberfläche gebundenen Partikelreagenzes. US 2014/0255916 A1 discloses a method and a kit for measuring the ability of a test sample to inhibit the binding of a pathogen receptor, preferably a sialic acid receptor, to a host cell ligand of the pathogen. The method comprises an immobilized receptor which is contacted with a test sample and a particle reagent containing the ligand, preferably sialic acid, the particle reagent being a biological reagent selected from erythrocytes, erythrocyte vesicles, erythrocyte ghost cells, membrane fragments, membrane vesicles, proteins and combinations, in particular in form of colloids, beads or combinations thereof; wherein the particle is coated and/or magnetic, electrically conductive and/or semiconductive. The amount of particle reagent bound to the surface is then measured.
WO 00/14538 A1 offenbart einen Linker-unterstützten Immunoassay für Glyphosat sowie ein Verfahren zur Herstellung von Glyphosat-Antikörpern umfassend die Herstellung von Glyphosat- Konjugaten mit einem Trägermolekül, bevorzugt Schweine-Thyreoglobulin, Rinderserumalbumin, humanes Serumalbumin, Ovalbumin oder Schlitzschnecken-Hämocyanin; und Immunisierung eines Wirts mit dem Konjugat. Der Linker-unterstützte Immunoassay zur Detektion des Analyten in einer Testprobe umfasst die Herstellung eines Linker-Analyt-Konjugats mittels einer Testprobe, das Kontaktieren mit einem Glyphosat-Antikörper und Kontaktieren der Testprobe mit einer Festphase mit einem immobilisierten zweiten Trägermolekül, welches kovalent an Glyphosat, einem Glyphosatderivat oder einem Glyphosatsalz gekoppelt ist. Das zweite Trägermolekül ist aus Schweine-Thyreoglobulin, Rinderserumalbumin, humanen Serumalbumin, Ovalbumin oder Schlitzschnecken-Hämocyanin ausgewählt, aber unterscheidet sich vom ersten Trägermolekül, welches zur Herstellung des Glyphosat-Antikörpers verwendet wird. Anschließend wird auf der Festphase die Menge an gebundenem Antikörper bestimmt, welche indirekt proportional zur Menge an Glyphosat in der Testprobe ist. Bevorzugt erfolgt die Detektion mittels enzymatischem Nachweis, wobei der Antikörper mit Biotin konjugiert ist und ein gelabeltes Enzym dazugegeben wird, welches Biotin bindet. Das Enzym ist bevorzugt alkalische Phosphatase oder Meerrettich peroxidase. WO 00/14538 A1 discloses a linker-assisted immunoassay for glyphosate and a method for producing glyphosate antibodies comprising the production of glyphosate conjugates with a carrier molecule, preferably porcine thyroglobulin, bovine serum albumin, human serum albumin, ovalbumin or limpet hemocyanin; and immunizing a host with the conjugate. The linker-assisted immunoassay for detecting the analyte in a test sample comprises preparing a linker-analyte conjugate using a test sample, contacting it with a glyphosate antibody, and contacting the test sample with a solid phase having an immobilized second carrier molecule covalently bound to glyphosate, coupled to a glyphosate derivative or a glyphosate salt. The second carrier molecule is selected from porcine thyroglobulin, bovine serum albumin, human serum albumin, ovalbumin or sloth limpet hemocyanin, but differs from the first carrier molecule used to produce the glyphosate antibody. The amount of bound antibody is then determined on the solid phase, which is indirectly proportional to the amount of glyphosate in the test sample. The detection is preferably carried out by means of enzymatic detection, the antibody being conjugated with biotin and a labeled enzyme which binds biotin being added. The enzyme is preferably alkaline phosphatase or horseradish peroxidase.
Ein Nachteil der kompetitiven Nachweisverfahren, wie in EP 2 752 664 A1 , US 2014/0255916 A1 , WO 00/14538 A1 offenbart, ist, dass die direkte Immobilisierung von verschiedenen Analyten aufgrund z. B. der geringen Größe, der Verfügbarkeit, der Toxizität oder der Pathogenität nicht möglich ist. A disadvantage of the competitive detection methods, as disclosed in EP 2 752 664 A1, US 2014/0255916 A1, WO 00/14538 A1, is that the direct immobilization of different analytes due to e.g. B. the small size, availability, toxicity or pathogenicity is not possible.
Nach dem Stand der Technik wird bei Analyten, die während der Interaktion mit ihrem Analytbindungspartner nicht mehr sterisch zugänglich sind, ein indirekter Nachweis gewählt. Der üblichste indirekte Test ist ein Enzyme-linked Immunosorbent Assay (ELISA). Unter einem ELISA wird ein antikörperbasiertes Nachweisverfahren (Assay) verstanden, wobei eine Quantifizierung mittels einer enzymatischen Farbreaktion erfolgt. Nachteilig ist ein ELISA von der Verfügbarkeit geeigneter Antikörper abhängig. According to the prior art, an indirect detection is chosen for analytes that are no longer sterically accessible during the interaction with their analyte binding partner. The most common indirect test is an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). An ELISA is understood to mean an antibody-based detection method (assay) in which quantification is carried out by means of an enzymatic color reaction. The disadvantage of an ELISA is that it depends on the availability of suitable antibodies.
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein einfach handhabbares, kostengünstiges und schnelles Verfahren zum quantitativen Nachweis von Analyten zur Verfügung zu stellen, welche nicht immobilisiert werden können. Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. The object of the present invention is therefore to provide an easy-to-handle, cost-effective and rapid method for the quantitative detection of analytes which cannot be immobilized. The object is solved by the features of the independent claims. Advantageous configurations are specified in the dependent claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Nachweis eines Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Oberfläche mit einem immobilisierten Analytbindungspartner, wobei der Analytbindungspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren, b) Bereitstellen eines Interaktionspartners, wobei der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an einen deformierbaren Partikel gebunden ist, wobei der Interaktionspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren, c) Kontaktieren der Oberfläche mit einer wässrigen Lösung enthaltend den Analyten, wobei der Analyt mit dem Analytbindungspartner interagiert, wobei ein Komplex aus Analytbindungspartner und Analyt gebildet wird, d) Kontaktieren der Oberfläche mit dem Interaktionspartner, wobei der Interaktionspartner mit dem Komplex aus Analytbindungspartner und Analyt interagiert, wobei eine Verformung des deformierbaren Partikels erfolgt, und e) Detektion der Verformung des deformierbaren Partikels. A first aspect of the invention relates to a method for detecting an analyte selected from toxins and pathogens, comprising the steps: a) providing a surface with an immobilized analyte binding partner, the analyte binding partner being able to interact with the analyte, b) providing an interaction partner , wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, wherein the interaction partner is able to interact with the analyte, c) contacting the surface with an aqueous solution containing the analyte, wherein the analyte interacts with the analyte binding partner, wherein a complex of analyte binding partner and analyte is formed, d) contacting the surface with the interaction partner, the interaction partner interacting with the complex of analyte binding partner and analyte, with a deformation of the deformable particle taking place, and e) detection of the deformation of the d deformable particle.
In Ausführungsformen erfolgt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Reihenfolge der Schritte a) und b), c), d) und e), wobei die Schritte a) und b) gleichzeitig oder in der Reihenfolge a) und danach b) oder b) und danach a) erfolgen. In alternativen Ausführungsformen erfolgt eine gleichzeitige Kontaktierung der Oberfläche mit dem immobilisierten Analytbindungspartners mit dem Analyten (Schritt c) und dem Interaktionspartner (Schritt d). In embodiments, the method according to the invention takes place with a sequence of steps a) and b), c), d) and e), steps a) and b) being carried out simultaneously or in the sequence a) and then b) or b) and then a) take place. In alternative embodiments, the surface with the immobilized analyte binding partner comes into contact with the analyte (step c) and the interaction partner (step d) at the same time.
Erfindungsgemäß erfolgt ein Nachweis von Analyten, welche fähig sind, mindestens mit einem Analytbindungspartner und einem Interaktionspartner zu interagieren. Unter dem Begriff „interagieren“ wird eine reversible Wechselwirkung, insbesondere aufgrund von koordinativen Bindungen, lonenbindungen, Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräften und hydrophoben Effekten verstanden. According to the invention, analytes are detected which are capable of interacting with at least one analyte binding partner and one interaction partner. The term “interact” is understood to mean a reversible interaction, in particular due to coordinate bonds, ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals forces and hydrophobic effects.
Zweckmäßig können der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner identisch oder verschieden sein. Erfindungsgemäß ist nur bei der Anwesenheit des Analyten in der wässrigen Lösung eine Interaktion zwischen dem deformierbaren Partikel und der Oberfläche möglich. Findet eine solche Interaktion zwischen Partikel und Oberfläche statt, verformt sich der Partikel. Die Partikeldeformation kann somit zur qualitativen Analyse oder zur Quantifizierung des Analyten genutzt werden. Conveniently, the analyte binding partner and the interaction partner can be identical or different. According to the invention, an interaction between the deformable particle and the surface is only possible when the analyte is present in the aqueous solution. If such an interaction between the particle and the surface takes place, the particle deforms. The particle deformation can thus be used for qualitative analysis or for quantification of the analyte.
Vorteilhaft ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch ein Nachweis sehr kleiner Analyten, z. B. Metallionen; möglich. It is also advantageous to use the method according to the invention to detect very small analytes, e.g. B. metal ions; possible.
Vorteilhaft ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zu einem kompetitiven Nachweisverfahren ein Nachweis von Analyten möglich, deren direkte Immobilisierung aufgrund z. B. der geringen Größe, der Verfügbarkeit, der Toxizität oder der Pathogenität nicht möglich ist. A detection of analytes is advantageously possible with the method according to the invention compared to a competitive detection method, the direct immobilization due to z. B. the small size, availability, toxicity or pathogenicity is not possible.
Vorteilhaft sind im Vergleich zu einem ELISA: Compared to an ELISA, the advantages are:
• keine zeitaufwändigen Wasch- und Blockschritte nötig, • no time-consuming washing and blocking steps necessary,
• weist das erfindungsgemäße Verfahren sehr schwache Wechselwirkungen nach,• the method according to the invention detects very weak interactions,
• können auch sehr kleine Analyten nachgewiesen werden, • very small analytes can also be detected,
• können Echt-Zeit-Messungen der Bindung durchgeführt werden, wodurch eine Bestimmung der Bindekinetik und der Bindeaffinität möglich ist,• real-time measurements of the binding can be carried out, which makes it possible to determine the binding kinetics and the binding affinity,
• ist eine quantitative Bestimmung der Konzentration auch ohne Kalibrierung über das Elastizitätsmodul des Partikels möglich. • a quantitative determination of the concentration is also possible without calibration via the particle's modulus of elasticity.
In Ausführungsformen ist der Analyt aus einem Metallpartikel oder einem Metailion, bevorzugt Cu (I), Cu (II), Co(ll) oder Zn (II); einem Virus, bevorzugt Bakteriophagen oder Circoviridae; einem Bakterium oder einem Biomarker ausgewählt. In embodiments, the analyte is a metal particle or a metal ion, preferably Cu(I), Cu(II), Co(II), or Zn(II); a virus, preferably bacteriophage or Circoviridae; a bacterium or a biomarker.
In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Metall- oder Metallionen-bindenden Peptid oder Protein, einem Chelatbildner, einem Enzym, einem Membranprotein, einem Lipopolysaccharid, einer Nukleinsäure oder deren Derivaten ausgewählt. In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide, a nucleic acid or derivatives thereof.
Vorteilhaft ermöglichen Analytbindungspartner und Interaktionspartner, ausgewählt aus Metalloder Metallionen-bindenden Peptiden oder Proteinen, Chelatbildnern, Enzymen, Membranproteinen, Lipopolysacchariden, Nukleinsäuren oder deren Derivaten, die gleichzeitige Interaktion des Analyten mit dem Analytbindungspartner und dem Interaktionspartner. Unter dem Begriff „Metall- oder Metallionen-bindenden Peptid oder Protein“ werden Peptide oder Proteine verstanden, welche anziehende Wechselwirkungen (elektrostatische Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, hydrophobe Wechselwirkungen) mit Metallen oder Metallionen eingehen. Metallionen sind positiv geladene Ionen von Metallen.Advantageously, analyte binding partners and interaction partners, selected from metal or metal ion-binding peptides or proteins, chelating agents, enzymes, membrane proteins, lipopolysaccharides, nucleic acids or their derivatives, enable the simultaneous interaction of the analyte with the analyte binding partner and the interaction partner. The term “metal or metal ion-binding peptide or protein” is understood to mean peptides or proteins which enter into attractive interactions (electrostatic interactions, van der Waals interactions, hydrophobic interactions) with metals or metal ions. Metal ions are positively charged ions of metals.
In Ausführungsformen ist das Metallionen-bindende Protein ein Metallionen-bindendes Transportprotein. In embodiments, the metal ion binding protein is a metal ion binding transport protein.
Unter dem Begriff „Chelatbildner“ werden chemische Verbindungen verstanden, welche mindestens zwei koordinative Bindungen mit einem Metailion oder Metallatom bilden. The term "chelating agent" is understood to mean chemical compounds which form at least two coordinate bonds with a metal ion or metal atom.
In Ausführungsformen ist der Chelatbildner aus Diethylentriaminpentaessigsäure (DTPA), 1 ,4,7,10-Tetraazacyclododecan-N,N’,N”,N”’-tetraessigsäure (DOTA), Mercaptoacetyltriglycin (MAG3), 6-Hydrazinopridin-3-carboxylsäure (Hynic), Hydroxybenzylethylendiamin (HBED), N,N'- Bis [2-hydroxy-5-(carboxyethyl)benzyl]ethylenediamin-N,N - diessigsäure (HBED-CC) oder 2-(3- (1-Carboxy-5-[(6-fluoro-pyridin-3-carbonyl)-amino]-pentyl)-ureido)-pentandicarbonsäure (DCFPyL) ausgewählt. In embodiments, the chelating agent is diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA), 1,4,7,10-tetraazacyclododecane-N,N',N",N"'-tetraacetic acid (DOTA), mercaptoacetyltriglycine (MAG3), 6-hydrazinopridine-3-carboxylic acid (Hynic), Hydroxybenzylethylenediamine (HBED), N,N'-bis[2-hydroxy-5-(carboxyethyl)benzyl]ethylenediamine-N,N-diacetic acid (HBED-CC) or 2-(3-(1-carboxy- 5-[(6-fluoro-pyridine-3-carbonyl)-amino]-pentyl)-ureido)-pentanedicarboxylic acid (DCFPyL).
Unter dem Begriff „Membranprotein“ werden Proteine verstanden, welche mit der Zellmembran oder einer Biomembran von Zellkompartimenten bzw. Organellen einer Zelle assoziiert sind. In Ausführungsbeispielen sind Membranproteine periphere Membranproteine (auch Oberflächenproteine), welche an die Membranoberfläche gebunden sind, oder integrale Membranproteine, welche mit einem hydrophoben Anteil in die Doppellipidschicht der Membran integriert sind oder die Membran als Transmembranprotein durchspannen. The term “membrane protein” is understood to mean proteins which are associated with the cell membrane or a biomembrane of cell compartments or organelles of a cell. In exemplary embodiments, membrane proteins are peripheral membrane proteins (also surface proteins) which are bound to the membrane surface, or integral membrane proteins which are integrated with a hydrophobic component in the double lipid layer of the membrane or span the membrane as a transmembrane protein.
Unter dem Begriff „Lipopolysaccharide (LPS)“ werden Moleküle verstanden, welche aus verschiedenen Regionen bestehen. Der Bereich, welcher für die Verankerung der LPS an den hydrophoben Bereich der bakteriellen äußeren Membran dient, ist Lipid A, bestehend meist aus N-Acetylglucosamin mit gebundenen Fettsäuren. Der Polysaccharidanteil enthält ein "Kern"- Polysaccharid sowie einen Bereich mit sich wiederholenden Zuckeranteilen. The term “lipopolysaccharides (LPS)” refers to molecules that consist of different regions. The region that serves to anchor the LPS to the hydrophobic region of the bacterial outer membrane is lipid A, consisting mostly of N-acetylglucosamine with attached fatty acids. The polysaccharide moiety contains a "core" polysaccharide and a region of repeating sugar moieties.
Unter dem Begriff „Nukleinsäure“ werden aus Nukleotiden aufgebaute Makromoleküle mit einem Zucker-Phosphat-Rückgrat verstanden. In Ausführungsformen ist die Nukleinsäure eine Ribonukleinsäure (RNA) oder eine Desoxyribonukleinsäure (DNA). Unter dem Begriff „Derivat“ wird ein Molekül verstanden, insbesondere ein metailionbindendes Peptid, ein Membranprotein, ein Lipopolysaccharid oder eine Nukleinsäure; mit einem hohen Grad an struktureller Identität mit dem Molekül, vorzugsweise dem gleichen Gerüst, wobei mindestens ein Atom, eine Gruppe von Atomen, eine funktionelle Gruppe oder eine Substruktur durch ein anderes Atom, eine Gruppe von Atomen, eine funktionelle Gruppe oder eine Substruktur, z.B. eine Alkylgruppe, insbesondere Methylgruppe; eine Glucuronsäuregruppe, ein Halogen, eine Hydroxylgruppe oder eine Sulfatgruppe, ersetzt ist. Vorteilhaft interagieren Derivate mit dem Analyten. The term "nucleic acid" is understood to mean macromolecules made up of nucleotides with a sugar-phosphate backbone. In embodiments, the nucleic acid is a ribonucleic acid (RNA) or a deoxyribonucleic acid (DNA). The term “derivative” means a molecule, in particular a metal ion-binding peptide, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid; having a high degree of structural identity with the molecule, preferably the same backbone, wherein at least one atom, group of atoms, functional group or substructure is replaced by another atom, group of atoms, functional group or substructure, e.g an alkyl group, especially methyl group; a glucuronic acid group, a halogen, a hydroxyl group or a sulfate group. Derivatives advantageously interact with the analyte.
Zweckmäßig umfassen Derivate weiterhin Peptide oder Proteine mit einer Sequenzidentität von mindestens 90 %, bevorzugt 95 %, besonders bevorzugt 99 %, wobei der Unterschied in der Aminosäuresequenz von maximal 10 %, bevorzugt maximal 5 %, besonders bevorzugt maximal 1 % insbesondere eine Verkürzung der Aminosäuresequenz, eine Verlängerung der Aminosäuresequenz und/oder ein Austausch einzelner Aminosäuren ist. Bevorzugt weisen die Peptidderivate oder Proteinderivate eine Sequenzidentität von mindestens 90 %, bevorzugt 95 %, besonders bevorzugt 99 %, außerhalb der Bindestellen des Analytbindungspartners bzw. Interaktionspartners für den Analyten auf und eine Sequenzidentität der Bindestellen des Analytbindungspartners bzw. Interaktionspartners für den Analyten von 100 %. Derivatives also expediently include peptides or proteins with a sequence identity of at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, with the difference in the amino acid sequence of at most 10%, preferably at most 5%, particularly preferably at most 1%, in particular a shortening of the amino acid sequence , an extension of the amino acid sequence and/or a replacement of individual amino acids. The peptide derivatives or protein derivatives preferably have a sequence identity of at least 90%, preferably 95%, particularly preferably 99%, outside the binding sites of the analyte binding partner or interaction partner for the analyte and a sequence identity of the binding sites of the analyte binding partner or interaction partner for the analyte of 100%. .
In Ausführungsformen umfassen Peptid- oder Proteinderivate D-Aminosäuren, Pseudopeptidbindungen, Aminoalkohole, nicht-proteinogene Aminosäuren, Aminosäuren mit modifizierten Seitenketten und/oder zirkuläre Peptide. In embodiments, peptide or protein derivatives include D-amino acids, pseudopeptide bonds, amino alcohols, non-proteinogenic amino acids, amino acids with modified side chains, and/or circular peptides.
In Ausführungsformen sind Nukleinsäurederivate aus Peptidnukleinsäuren, wie y-Peptidnuklein- säuren ausgewählt. In embodiments, nucleic acid derivatives are selected from peptide nucleic acids, such as γ-peptide nucleic acids.
Erfindungsgemäß interagiert der Interaktionspartner mit dem Komplex aus Analytbindungspartner und Analyten. In Ausführungsformen interagiert der Interaktionspartner mit dem Analyten oder mit dem Analyten und mit dem Analytbindungspartner. According to the invention, the interaction partner interacts with the complex of analyte binding partner and analyte. In embodiments, the interaction partner interacts with the analyte or with the analyte and with the analyte binding partner.
In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner identisch. In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are identical.
In weiteren Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner verschieden. Vorteilhaft kann durch Einsatz verschiedener Analytbindungspartner und Interaktionspartner die Selektivität des Nachweises erhöht werden. In Ausführungsformen erfolgt die Immobilisierung des Analytbindungspartners an der Oberfläche über eine Proteindomäne, ausgewählt aus Hydrophobinen, ECM-Proteinen, S-Layer Proteinen, Peptidlinkern und Protein-Tags, oder durch einen Polymerlinker, z. B. Polyethylenglykol (PEG). Dadurch wird eine gerichtete Immobilisierung an die Oberfläche ermöglicht. In further embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are different. Advantageously, the selectivity of the detection can be increased by using different analyte binding partners and interaction partners. In embodiments, the analyte binding partner is immobilized on the surface via a protein domain selected from hydrophobins, ECM proteins, S-layer proteins, peptide linkers and protein tags, or via a polymer linker, e.g. B. Polyethylene glycol (PEG). This enables directed immobilization on the surface.
Unter dem Begriff „immobilisiert“ wird eine irreversible oder pseudoirreversible Bindung umfassend kovalente, koordinative, metallische, ionische Bindungen, Wasserstoffbrückenbindungen und/oder Van-der-Waals-Wechselwirkungen verstanden. The term "immobilized" is understood to mean an irreversible or pseudo-irreversible bond comprising covalent, coordinate, metallic, ionic bonds, hydrogen bonds and/or van der Waals interactions.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Immobilisierung durch kovalente Bindung über eine funktionelle Gruppe des Analytbindungspartners. In further embodiments, the immobilization takes place by covalent binding via a functional group of the analyte binding partner.
Unter dem Begriff „funktionelle Gruppe“ wird eine Atomgruppe in einer Verbindung verstanden, welche das Reaktionsverhalten der Verbindung bestimmt. In Ausführungsformen sind funktionelle Gruppen aus funktionellen Gruppen umfassend Heteroatome (O, N, S, P oder Halogene), insbesondere Carbonsäuren, Halogenide, Thiocarbonsäuren, Sulfonsäuren, Thiolester, Sulfoxide, Carbonsäureanhydride, Carbonsäureester, Carbonsäureamide, Nitrile, Aldehyde, Thioaldehyde, Ketone, Thioketone, Oxime, Hydrazone, Alkohole, Thiole, Amine, Imine, Hydrazine, Ether oder Thioether; und funktionellen Gruppen ohne Heteroatome, insbesondere Doppelbindungen, Dreifachbindungen oder Aromaten, ausgewählt. The term "functional group" means an atomic group in a compound that determines the reaction behavior of the compound. In embodiments, functional groups are functional groups comprising heteroatoms (O, N, S, P or halogens), in particular carboxylic acids, halides, thiocarboxylic acids, sulfonic acids, thiolesters, sulfoxides, carboxylic acid anhydrides, carboxylic acid esters, carboxamides, nitriles, aldehydes, thioaldehydes, ketones, thioketones , oximes, hydrazones, alcohols, thiols, amines, imines, hydrazines, ethers or thioethers; and functional groups without heteroatoms, in particular double bonds, triple bonds or aromatics.
In weiteren Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner ein Fusionsprotein. Dabei weist das Fusionsprotein beispielsweise verschiedene Proteindomänen auf, welche unterschiedliche Funktionalitäten aufweisen, insbesondere eine Analytbindungsstelle und eine Proteindomäne, ausgewählt aus Hydrophobinen, ECM-Proteinen, S-Layer Proteinen, Peptidlinkern und Protein- Tags. Die Analytbindungsstelle dient der Anbindung des Analyten an den Analytbindungspartner. In further embodiments, the analyte binding partner is a fusion protein. The fusion protein has, for example, different protein domains which have different functionalities, in particular an analyte binding site and a protein domain selected from hydrophobins, ECM proteins, S-layer proteins, peptide linkers and protein tags. The analyte binding site serves to bind the analyte to the analyte binding partner.
Bevorzugt ist der Analytbindungspartner ein Fusionsprotein mit einem Protein-Tag oder Hydrophobin, besonders bevorzugt ein Fusionsprotein mit einem His-Tag. The analyte binding partner is preferably a fusion protein with a protein tag or hydrophobin, particularly preferably a fusion protein with a His tag.
In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Immobilisierung des Analytbindungspartners an der Oberfläche aus einer Lösung, insbesondere einer wässrigen Lösung. In further embodiments, the analyte binding partner is immobilized on the surface from a solution, in particular an aqueous solution.
In Ausführungsformen ist der Analyt ein Metallpartikel, insbesondere ein Metallnanopartikel, oder ein Metailion, insbesondere ein Schwermetallpartikel oder Schwermetailion. Unter dem Begriff „Schwermetall“ wird ein Metall mit einer Dichte von mindestens 4,5 g/cm3 verstanden, insbesondere Antimon, Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Eisen, Germanium, Gold, Kobalt, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Platin, Polonium, Quecksilber, Rhodium, Selen, Silber, Tantal, Thallium, Titan, Vanadium, Wismut (Bismut), Zink, Zinn oder Zirkon. Nachteilig sind viele Schwermetalle bereits in leichter Überkonzentration für den menschlichen Organismus gesundheitsschädlich oder giftig. In embodiments, the analyte is a metal particle, in particular a metal nanoparticle, or a metal ion, in particular a heavy metal particle or heavy metal ion. The term "heavy metal" means a metal with a density of at least 4.5 g/ cm3 , in particular antimony, arsenic, lead, cadmium, chromium, iron, germanium, gold, cobalt, copper, manganese, molybdenum, nickel, Platinum, polonium, mercury, rhodium, selenium, silver, tantalum, thallium, titanium, vanadium, bismuth (bismuth), zinc, tin or zircon. A disadvantage is that many heavy metals are harmful or toxic to the human organism even in slight overconcentrations.
In Ausführungsformen ist der Analyt ein Metailion, insbesondere ein einwertiges oder zweiwertiges Metailion. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Analyt Cu (I), Cu (II), Co(ll) oder Zn (II). In embodiments, the analyte is a metal ion, particularly a monovalent or divalent metal ion. In preferred embodiments, the analyte is Cu(I), Cu(II), Co(II), or Zn(II).
Vorteilhaft konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Konzentration von 100 pM Cu (I) nachgewiesen werden. Weiterhin vorteilhaft ist die Nachweisgrenze (limit of detection, LOD) unterhalb einer Konzentration von 100 pM Cu (I). Unter dem Begriff „Nachweisgrenze“ wird die niedrigst mögliche Konzentration, bei der das erfindungsgemäße Verfahren einen Analyten innerhalb der wässrigen Lösung mit einem gewissen Vertrauensgrad nachweisen kann, verstanden. A concentration of 100 pM Cu(I) could advantageously be detected with the method according to the invention. The limit of detection (LOD) below a concentration of 100 pM Cu(I) is also advantageous. The term "detection limit" is understood to mean the lowest possible concentration at which the method according to the invention can detect an analyte within the aqueous solution with a certain degree of confidence.
In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Metall- oder Metallionen-bindenden Peptid oder Protein, insbesondere einen Metallionen-bindenden Transportprotein, und einem Chelatbildner ausgewählt. In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, in particular a metal ion-binding transport protein, and a chelating agent.
In Ausführungsformen werden Metall-bindende oder Metallionen-bindende Peptide oder Protein mittels Phagendisplay bereitgestellt. In embodiments, metal-binding or metal ion-binding peptides or protein are provided using phage display.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Nachweis von Cu (I) ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner abhängig voneinander aus Cox17 und Sco1 ausgewählt. In einer Ausführungsform umfasst der Analytbindungspartner Cox17 und der Interaktionspartner Sco1, bevorzugt eine trunktierte Mutante von Sco1 ohne Transmembrandomäne. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Analytbindungspartner Sco1 und der Interaktionspartner Cox17. Unter dem Begriff „Sco1“ wird ein Chaperon der Cytochrom C Oxidase in der mitochondrialen Atmungskette verstanden. In Ausführungsformen weist die trunktierte Mutante von Sco1 ohne Transmembrandomäne die Aminosäuresequenz SEQ ID No. 1 auf. In embodiments of the method according to the invention for detecting Cu(I), the analyte binding partner and the interaction partner are selected from Cox17 and Sco1, depending on one another. In one embodiment, the analyte binding partner comprises Cox17 and the interaction partner comprises Sco1, preferably a truncated mutant of Sco1 lacking a transmembrane domain. In a further embodiment, the analyte binding partner comprises Sco1 and the interaction partner comprises Cox17. The term "Sco1" refers to a chaperone of cytochrome c oxidase in the mitochondrial respiratory chain. In embodiments, the truncated mutant of Sco1 lacking a transmembrane domain has the amino acid sequence SEQ ID no. 1 on.
Unter dem Begriff „Cox17“ wird ein Kupfer-Transport-Protein verstanden. In Ausführungsformen weist Cox17 die Aminosäuresequenz SEQ ID No. 2 auf. The term “Cox17” means a copper transport protein. In embodiments, Cox17 has the amino acid sequence SEQ ID no. 2 on.
In weiteren Ausführungsformen wird der Interaktionspartner Cox17 an den deformierbaren Partikel mittels einer Hydrophobin-Funktionalisierung, bevorzugt mit der Aminosäuresequenz SEQ ID No. 3 oder SEQ ID No. 4 gebunden. In further embodiments, the interaction partner Cox17 is attached to the deformable particle by means of hydrophobin functionalization, preferably with the amino acid sequence SEQ ID no. 3 or SEQ ID no. 4 tied.
In Ausführungsformen erfolgt die Immobilisierung des Analytbindungspartners Sco1 mittels His- Tag an die funktionalisierte Oberfläche, bevorzugt mit der Aminosäuresequenz SEQ ID No. 5. In embodiments, the analyte binding partner Sco1 is immobilized by means of a His tag on the functionalized surface, preferably with the amino acid sequence SEQ ID no. 5.
In Ausführungsformen ist der Analyt ein Virus, bevorzugt eine Bakteriophage, wie M13 und <t>X174; oder Circoviridae. In embodiments, the analyte is a virus, preferably a bacteriophage, such as M13 and <t>X174; or Circoviridae.
Unter dem Begriff „Virus“ werden infektiöse organische Strukturen umfassend eine Nukleinsäure, insbesondere DNA oder RNA, verstanden. In Ausführungsformen liegt das Virus als Virion, bevorzugt außerhalb von Zellen (extrazellulär), oder als Virus in Form einer Nukleinsäure, bevorzugt innerhalb einer geeigneten Wirtszelle (intrazellulär), vor. The term “virus” is understood to mean infectious organic structures comprising a nucleic acid, in particular DNA or RNA. In embodiments, the virus is present as a virion, preferably outside cells (extracellular), or as a virus in the form of a nucleic acid, preferably inside a suitable host cell (intracellular).
In Ausführungsformen umfasst das Virion eine Nukleinsäure, insbesondere DNA oder RNA, und eine umschließende Protein-Kapsel (Kapsid) oder ein Ribonucleoprotein. In weiteren Ausführungsformen umfasst das Virion eine Lipiddoppelschicht mit viralen Membranproteinen. In embodiments, the virion comprises a nucleic acid, in particular DNA or RNA, and an enclosing protein capsule (capsid) or a ribonucleoprotein. In further embodiments, the virion comprises a lipid bilayer containing viral membrane proteins.
Unter dem Begriff „Bakteriophagen“ werden Viren verstanden, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind. The term "bacteriophage" refers to viruses that specialize in bacteria as host cells.
Unter dem Begriff „M13“ wird ein filamentöser Bakteriophage bestehend aus einer einzelsträngigen, zirkulären DNA (ssDNA) positiver Polarität verstanden, welcher 6407 Nukleotide umfasst und mit ungefähr 2700 Kopien des major coat proteins P8 und 5 Kopien zweier verschiedener minor coat proteins (P9, P6, P3) an den Enden verkapselt ist. M13 infiziert Escherichia coli (E. coli). Unter dem Begriff „<t>X174“ wird ein Bakteriophage bestehend aus einer einzelsträngigen, zirkulären DNA (ssDNA) verstanden, welcher 5386 Nukleotide umfasst. X174 infiziert Escherichia coli (E. coli). The term "M13" refers to a filamentous bacteriophage consisting of single-stranded, circular DNA (ssDNA) of positive polarity, which comprises 6407 nucleotides and has approximately 2700 copies of the major coat protein P8 and 5 copies of two different minor coat proteins (P9, P6 , P3) is encapsulated at the ends. M13 infects Escherichia coli (E. coli). The term "<t>X174" means a bacteriophage consisting of a single-stranded, circular DNA (ssDNA) which comprises 5386 nucleotides. X174 infects Escherichia coli (E. coli).
Unter dem Begriff „Circoviridae“ wird eine Virenfamilie verstanden, welche einzelsträngige, zirkuläre DNA mit negativer oder ambisense Polarität als Genom und unbehüllte Kapside aufweist. The term "Circoviridae" is understood to mean a virus family which has single-stranded, circular DNA with negative or ambisense polarity as a genome and non-enveloped capsids.
In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Membranprotein, einem Lipopolysaccharid, einer Nukleinsäure, insbesondere einer single-stranded DNA (ssDNA) oder microRNA (miRNA); oder deren Derivaten ausgewählt. In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently composed of a membrane protein, a lipopolysaccharide, a nucleic acid, in particular a single-stranded DNA (ssDNA) or microRNA (miRNA); or their derivatives selected.
In weiteren Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Protein nach Letarov und Kulikov, insbesondere einem Rezeptor aus Tabelle 1 ; Silva et al., insbesondere einem Rezeptor aus Tabelle 1 bis 3; Stone et al., insbesondere einem Rezeptor aus Tabelle 1 ; ausgewählt (Letarov und Kulikov 2017, Silva et al. 2016, Stone et al. 2019). In further embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently composed of a protein according to Letarov and Kulikov, in particular a receptor from Table 1; Silva et al., in particular a receptor from Tables 1 to 3; Stone et al., in particular a receptor from Table 1; selected (Letarov and Kulikov 2017, Silva et al. 2016, Stone et al. 2019).
In Ausführungsformen ist der Analyt ein Biomarker, insbesondere ein protein- und/oder kohlenhydratbasierter Tumormarker oder ein Endotoxin; oder ein Bakterium. In embodiments, the analyte is a biomarker, in particular a protein- and/or carbohydrate-based tumor marker or an endotoxin; or a bacterium.
Unter dem Begriff „Biomarker“ werden Moleküle verstanden, welche auf Toxine, Pathogene oder Krankheiten hinweisen, insbesondere Bestandteile von Pathogenen, Zellen, Genen oder Genprodukten, bevorzugt Tumormarker oder Endotoxine. The term “biomarker” is understood to mean molecules which indicate toxins, pathogens or diseases, in particular components of pathogens, cells, genes or gene products, preferably tumor markers or endotoxins.
Unter dem Begriff „Endotoxine“ werden Lipopolysaccharide verstanden, welche Zerfallsprodukte von Bakterien, insbesondere der äußeren Zellmembran von gramnegativen Bakterien oder Cyanobakterien, sind. Endotoxine können im Menschen und manchen Tierarten gesundheits- bzw. lebensbedrohliche physiologische Reaktionen auslösen. The term “endotoxins” is understood to mean lipopolysaccharides which are decomposition products of bacteria, in particular of the outer cell membrane of gram-negative bacteria or cyanobacteria. Endotoxins can trigger health or life-threatening physiological reactions in humans and some animal species.
Unter dem Begriff „Bakterien“ werden Prokaryoten verstanden, welche eine die DNA, das Cytoplasma und die Ribosomen umschließende Zellmembran aufweisen, wobei die DNA als dicht gepacktes, in sich geschlossenes Molekül im Cytoplasma frei vorliegt. Weiterhin weisen Bakterien eine RNA-Polymerase bestehend aus 5 Untereinheiten (a (2x), ß, ß' und w) auf. In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Peptid, einem Protein, einem Enzym, einer Nukleinsäure oder deren Derivaten ausgewählt. The term "bacteria" is understood to mean prokaryotes which have a cell membrane enclosing the DNA, the cytoplasm and the ribosomes, the DNA being freely present in the cytoplasm as a densely packed, self-contained molecule. Furthermore, bacteria have an RNA polymerase consisting of 5 subunits (a (2x), ß, ß' and w). In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a peptide, a protein, an enzyme, a nucleic acid or derivatives thereof.
In Ausführungsformen weist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner das aktive Zentrum oder die Substrat-Bindedomäne eines Enzyms, z. B. ein Sushi-Peptid, auf. In embodiments, the analyte binding partner and the interaction partner comprises the active site or substrate binding domain of an enzyme, e.g. a sushi peptide.
Unter dem Begriff „Sushi-Peptid“ wird eine Endotoxin-Bindestelle von Faktor C, einer Lipopolysaccharid-sensitiven Serinprotease des Pfeilschwanzkrebses, verstanden. The term "sushi peptide" refers to an endotoxin binding site of factor C, a lipopolysaccharide-sensitive serine protease of the horseshoe crab.
In Ausführungsformen ist der Analytbindungspartner und/oder der Interaktionspartner das Sushi- Peptid S1 und/oder S3. In embodiments, the analyte binding partner and/or the interaction partner is sushi peptide S1 and/or S3.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein kombinatorisches Verfahren zum Nachweis eines Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen von mindestens zwei verschiedenen Oberflächen mit mindestens zwei verschiedenen immobilisierten Analytbindungspartnern, wobei jeweils ein Analytbindungspartner auf einer Oberfläche immobilisiert ist, wobei die mindestens zwei verschiedenen Analytbindungspartner fähig sind, mit dem Analyten zu interagieren, b) Bereitstellen eines Interaktionspartners, wobei der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an einen deformierbaren Partikel gebunden ist, wobei der Interaktionspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren, c) Kontaktieren der mindestens zwei Oberflächen jeweils mit einer wässrigen Lösung enthaltend einen Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, wobei der Analyt mit den mindestens zwei Analytbindungspartnern interagiert, wobei jeweils ein Komplex aus Analytbindungspartner und Analyt gebildet wird, d) Kontaktieren der mindestens zwei Oberflächen jeweils mit dem Interaktionspartner, wobei jeweils der Interaktionspartner mit dem Komplex aus Analytbindungspartner und Analyt interagiert, wobei eine Verformung des deformierbaren Partikels erfolgt, und e) Detektion der Verformung des deformierbaren Partikels bei den mindestens zwei verschiedenen Oberflächen. Vorteilhaft wird durch den Einsatz von mindestens zwei Oberflächen mit mindestens zwei verschiedenen immobilisierten Analytbindungspartnern die Selektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere bei komplexen Proben, erhöht. Another aspect of the invention relates to a combinatorial method for detecting an analyte selected from toxins and pathogens, comprising the steps: a) providing at least two different surfaces with at least two different immobilized analyte binding partners, one analyte binding partner being immobilized on a surface, wherein the at least two different analyte binding partners are capable of interacting with the analyte, b) providing an interaction partner, wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, wherein the interaction partner is capable of interacting with the analyte, c) contacting the at least two surfaces each with an aqueous solution containing an analyte selected from toxins and pathogens, wherein the analyte interacts with the at least two analyte binding partners, with a complex of analyte binding partner and Analyte is formed, d) contacting the at least two surfaces with the interaction partner, with the interaction partner interacting with the complex of analyte binding partner and analyte, with deformation of the deformable particle taking place, and e) detection of the deformation of the deformable particle in the at least two different surfaces. The use of at least two surfaces with at least two different immobilized analyte binding partners advantageously increases the selectivity of the method according to the invention, particularly in the case of complex samples.
In Ausführungsformen der Erfindung ist der deformierbare Partikel ein funktionalisierter Partikel, wobei die Oberfläche des deformierbaren Partikels eine Funktionalisierung, insbesondere funktionelle Gruppen wie Carboxyl- oder Aminogruppen, aufweist. Die Funktionalisierung dient dabei der Immobilisierung des Interaktionspartners. In embodiments of the invention, the deformable particle is a functionalized particle, with the surface of the deformable particle having a functionalization, in particular functional groups such as carboxyl or amino groups. The functionalization serves to immobilize the interaction partner.
In Ausführungsformen ist der deformierbare Partikel ein Hydrogelpartikel, bevorzugt ein Polyethylenglykolhydrogelpartikel. In embodiments, the deformable particle is a hydrogel particle, preferably a polyethylene glycol hydrogel particle.
In Ausführungsformen weist der deformierbare Partikel einen Durchmesser von 10 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt einen Durchmesser von etwa 25 pm auf. Der Durchmesser der deformierbaren Partikel kann durch optische Hellfeldmikroskopie bestimmt werden. In embodiments, the deformable particle has a diameter of 10 μm to 100 μm, particularly preferably a diameter of about 25 μm. The diameter of the deformable particles can be determined by bright field optical microscopy.
In weiteren Ausführungsformen weist der deformierbare Partikel ein Elastizitätsmodul im Bereich von 10 kPa bis 100 kPa, besonders bevorzugt im Bereich von 15 kPa bis 50 kPa; auf. Vorteilhaft wird durch das Elastizitätsmodul im Bereich von 15 kPa bis 50 kPa eine hohe Sensitivität sichergestellt. Weiterhin vorteilhaft wird eine ungleichmäßige Deformation der Partikel ausgeschlossen. Das Elastizitätsmodul der deformierbaren Partikel kann aus Kraft-Abstands- Kurven der Rasterkraftspektroskopie (SFM) bestimmt werden. In further embodiments, the deformable particle has a modulus of elasticity in the range from 10 kPa to 100 kPa, particularly preferably in the range from 15 kPa to 50 kPa; on. A high sensitivity is advantageously ensured by the modulus of elasticity in the range from 15 kPa to 50 kPa. Furthermore, an uneven deformation of the particles is advantageously ruled out. The modulus of elasticity of the deformable particles can be determined from atomic force spectroscopy (SFM) force-distance curves.
In Ausführungsformen weist der deformierbare Partikel eine Carboxy-Funktionalisierung auf. In weiteren Ausführungsformen erfolgt die Synthese und Carboxy-Funktionalisierung der deformierbaren Partikel, insbesondere der Hydrogel-Mikropartikel, gemäß der von Pussak et al. (Pussak et al. 2012) beschriebenen Methode via Emulsions- und radikalischer Fällungspolymerisation von Polyethylenglykol-Diacrylamid oder Polyethylenglykol-Diacrylat mit anschließender radikalischer Pfropfung von Acrylsäuremonomeren, Crotonsäuremonomeren oder weiteren Alkenderivaten mit funktionellen Gruppen, wie etwa Aminen zur Einführung der Carboxyl-, Amino- oder anderen funktionellen Gruppen. In embodiments, the deformable particle has carboxy functionalization. In further embodiments, the synthesis and carboxy functionalization of the deformable particles, in particular the hydrogel microparticles, takes place according to the Pussak et al. (Pussak et al. 2012) via emulsion and radical precipitation polymerization of polyethylene glycol diacrylamide or polyethylene glycol diacrylate with subsequent radical grafting of acrylic acid monomers, crotonic acid monomers or other alkene derivatives with functional groups such as amines to introduce the carboxyl, amino or other functional groups.
In Ausführungsformen erfolgt die Synthese und Carboxy-Funktionalisierung der Partikel mikrofluidisch mittels photoinitiierter radikalischer Vernetzung von Polyethylenglykol-Diacrylamid oder Polyethylenglykol-Diacrylat (bevorzugtes Molekulargewicht im Bereich von 500 Da bis 8.000 Da, besonders bevorzugt etwa 4.000 Da) mit anschließender photoinitiierter radikalischer Pfropfung von Acrylsäuremonomeren zur Einführung der Carboxylgruppen, wobei monodisperse Partikel mit einem Durchmesser im Bereich von 10 pm bis 100 pm, besonders bevorzugt um 25 pm, erzeugt werden. In embodiments, the synthesis and carboxy functionalization of the particles takes place microfluidically by means of photoinitiated radical crosslinking of polyethylene glycol diacrylamide or polyethylene glycol diacrylate (preferred molecular weight in the range from 500 Da to 8,000 Da, particularly preferably about 4,000 Da) with subsequent photoinitiated radical Grafting of acrylic acid monomers to introduce the carboxyl groups, producing monodisperse particles with a diameter in the range from 10 μm to 100 μm, particularly preferably around 25 μm.
Erfindungsgemäß ist der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an einen deformierbaren Partikel gebunden. According to the invention, the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group.
In weiteren Ausführungsformen ist der Interaktionspartner an den deformierbaren Partikel über einen Linker gebunden, wobei der Linker eine Konturlänge im Bereich von 5 Ä bis 200 Ä, bevorzugt im Bereich 10 Ä bis 65 Ä; und/oder einen Polymerisationsgrad im Bereich von 1 bis 70, bevorzugt im Bereich 3 bis 20; aufweist. Dabei wird der Linker an die funktionalisierte Partikeloberfläche angebunden. In further embodiments, the interaction partner is bound to the deformable particle via a linker, the linker having a contour length in the range from 5 Å to 200 Å, preferably in the range from 10 Å to 65 Å; and/or a degree of polymerization in the range from 1 to 70, preferably in the range from 3 to 20; having. The linker is attached to the functionalized particle surface.
Vorteilhaft ermöglicht ein Linkermolekül die geeignete Immobilisierung des Interaktionspartners über eine funktionelle Gruppe, wobei die Kopplungsgruppe die Funktionalität und Sensitivität des erfindungsgemäßen Verfahrens beeinflusst. Weiterhin vorteilhaft kann über die Länge bzw. den Polymerisationsgrad des Linkers die resultierende Affinität des immobilisierten Interaktionspartners variiert und somit der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens eingestellt werden. A linker molecule advantageously enables the interaction partner to be immobilized appropriately via a functional group, with the coupling group influencing the functionality and sensitivity of the method according to the invention. Furthermore, the resulting affinity of the immobilized interaction partner can advantageously be varied via the length or the degree of polymerization of the linker, and the working range of the method according to the invention can thus be adjusted.
In Ausführungsformen ist der Linker ausgewählt aus den Gruppen der homo- und heterobifunktionalen Linker und umfasst Ethylendiamin, Oligo- und Polyethylenglykoldiamine, Peptide wie Pentaglycin und Aminosäuren oder einen bifunktionalen Linker mit weiteren Gruppen wie etwa Thiolen oder Aziden. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Linker ein Polyethylenglykoldiamin-Linker. In embodiments, the linker is selected from the groups of homo- and heterobifunctional linkers and includes ethylene diamine, oligo- and polyethylene glycol diamines, peptides such as pentaglycine and amino acids or a bifunctional linker with other groups such as thiols or azides. In preferred embodiments, the linker is a polyethylene glycol diamine linker.
In Ausführungsformen enthalten die Linker Schutzgruppen. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Schutzgruppe aus Fluorenylmethoxycarbonyl-, tert-Butyloxycarbonyl- oder tert-Butyl- Schutzgruppen ausgewählt. Vorteilhaft stellen die Schutzgruppen sicher, dass keine unerwünschte Polymerisierung der Linker-Moleküle oder Quervernetzung der deformierbaren Partikel auftritt. In embodiments, the linkers contain protecting groups. In embodiments of the invention the protecting group is selected from fluorenylmethoxycarbonyl, tert-butyloxycarbonyl or tert-butyl protecting groups. The protective groups advantageously ensure that no undesired polymerization of the linker molecules or cross-linking of the deformable particles occurs.
In Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die Detektion mittels Quarzkristallmikrowaage (QCM), Oberflächenplasmonenspektroskopie (SPR), Rasterkraftspektroskopie (SFM), Impedanzspektroskopie oder Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie. Bevorzugt erfolgt die Detektion mittels Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie (RICM). Unter dem Begriff „Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie“ wird eine lichtmikroskopische Methode zur Bestimmung von Schichtdicken durch Interferenzmuster verstanden, welche durch an der oberen und unteren Grenzfläche der Schicht reflektiertes Licht entstehen. In embodiments of the invention, the detection is carried out using a quartz crystal microbalance (QCM), surface plasmon spectroscopy (SPR), atomic force spectroscopy (SFM), impedance spectroscopy or reflection interference contrast microscopy. The detection preferably takes place by means of reflection interference contrast microscopy (RICM). Under the term "Reflection interference contrast microscopy" is a light microscopic method for determining layer thicknesses using interference patterns, which are created by light reflected at the upper and lower boundary surface of the layer.
Dabei werden die Kontaktradien a von Partikel und Oberfläche sowie die Partikelradien RHGS mittels einer eigens dafür entwickelten Software automatisiert ermittelt. Gemäß Johnson-Kendall- Roberts-Modell (Johnson et al. 1971) stehen diese Größen mit der Adhäsionsenergie Wadh in folgendem Zusammenhang:
Figure imgf000016_0001
The contact radii a of the particle and surface as well as the particle radii R HGS are automatically determined using software specially developed for this purpose. According to the Johnson-Kendall-Roberts model (Johnson et al. 1971), these quantities are related to the adhesion energy W adh in the following way:
Figure imgf000016_0001
Die ermittelte Adhäsionsenergie entspricht der Bindungsdichte der partikelgebundenen Interaktionspartner an den Analyten und erlaubt die Bestimmung der Analytmenge in der Probe. The determined adhesion energy corresponds to the binding density of the particle-bound interaction partner to the analyte and allows the amount of analyte in the sample to be determined.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberfläche transparent, semitransparent oder opak ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Oberfläche zumindest im Bereich von 400 nm bis 600 nm transparent ausgebildet. In embodiments of the invention, the surface is transparent, semitransparent or opaque. In further embodiments, the surface is transparent at least in the range from 400 nm to 600 nm.
In Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberfläche planar ausgebildet. Beispielsweise kann die Oberfläche ein Glas- oder Kunststoffformkörper sein, z. B. ein Objektträger, Deckgläschen, Siliziumwafer oder ähnliches. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberfläche als Well- Platte, insbesondere 16-Well- oder 96-Well-Platte ausgebildet. In embodiments of the invention, the surface is planar. For example, the surface can be a glass or plastic molding, e.g. B. a slide, coverslip, silicon wafer or the like. In embodiments of the invention, the surface is designed as a well plate, in particular a 16-well or 96-well plate.
Erfindungsgemäß ist die Probe eine wässrige Lösung. According to the invention, the sample is an aqueous solution.
In Ausführungsformen weist die wässrige Lösung eine Salzkonzentration im Bereich von 0 mmol/l bis 300 mmol/l, bevorzugt im Bereich von 90 mmol/l bis 180 mmol/l, besonders bevorzugt im Bereich von 98 mmol/l bis 154 mmol/l; auf. In embodiments, the aqueous solution has a salt concentration in the range from 0 mmol/l to 300 mmol/l, preferably in the range from 90 mmol/l to 180 mmol/l, particularly preferably in the range from 98 mmol/l to 154 mmol/l; on.
In Ausführungsformen ist die wässrige Lösung eine isotonische Salzlösung. Unter dem Begriff „isotonische Salzlösung“ wird eine Salzlösung verstanden, welche denselben osmotischen Druck wie das menschliche Blut aufweist. In embodiments, the aqueous solution is isotonic saline. The term “isotonic saline solution” means a saline solution that has the same osmotic pressure as human blood.
In Ausführungsformen weist die wässrige Lösung einen pH-Wert im Bereich von pH 2,5 bis pH 9, bevorzugt im Bereich von pH 4 bis pH 8; auf. Als Probe, d.h. wässrige Lösung umfassend den Analyten, können insbesondere folgende Proben verwendet werden: Körperflüssigkeiten, wie Speichelproben, Blutproben, Blutplasmaproben, Blutserumproben, Urinproben oder Schleimproben; Gewässerproben, Trinkwasserproben, Abwasserproben, Proben aus chemischen Produktionsprozessen, extrahierte Bodenproben, Lebensmittelproben, Futtermittelproben, Proben aus biologischen und biochemische Produktionsprozesse, Fermentationslösungen, Waschmittelproben, Spülmittelproben, Körperpflegemittelproben, Kosmetikproben oder Pharmakaproben. In Ausführungsformen werden verdünnte Proben der vorgenannten Art oder verdünnte Extrakte von z. B. Bodenproben, Schleimproben, Fermentationslösungen und dergleichen verwendet. In embodiments, the aqueous solution has a pH in the range from pH 2.5 to pH 9, preferably in the range from pH 4 to pH 8; on. The following samples in particular can be used as a sample, ie an aqueous solution comprising the analyte: body fluids, such as saliva samples, blood samples, blood plasma samples, blood serum samples, urine samples or mucus samples; Water samples, drinking water samples, waste water samples, samples from chemical production processes, extracted soil samples, food samples, animal feed samples, samples from biological and biochemical production processes, fermentation solutions, detergent samples, dishwashing liquid samples, body care product samples, cosmetic samples or pharmaceutical samples. In embodiments, diluted samples of the aforementioned type or diluted extracts of e.g. B. soil samples, mucus samples, fermentation solutions and the like used.
Zweckmäßig ist die wässrige Lösung frei von Schwebstoffen. In Ausführungsformen erfolgt eine Filtration der wässrigen Lösung vor dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere vor Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens. The aqueous solution is expediently free from suspended matter. In embodiments, the aqueous solution is filtered before the method according to the invention, in particular before step c) of the method according to the invention.
Das Verfahren kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, die das Einfrieren und Denaturieren des Analyten, des Analytbindungspartners sowie Interaktionspartners vermeidet. In Ausführungsformen erfolgt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Temperatur im Bereich von 0 °C bis 40 °C, bevorzugt bei Raumtemperatur (20 °C). The method can be carried out at a temperature that avoids freezing and denaturing of the analyte, the analyte binding partner and the interaction partner. In embodiments, the method according to the invention is carried out at a temperature in the range from 0° C. to 40° C., preferably at room temperature (20° C.).
In Ausführungsformen weist das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt auf, wobei der mindestens eine weitere Schritt aus einer Kalibrierung mit dem Analyten und der Bestimmung eines Referenzwertes ausgewählt ist. In embodiments, the method according to the invention has at least one further step, the at least one further step being selected from a calibration with the analyte and the determination of a reference value.
Unter dem Begriff „Kalibrierung“ wird einer Detektion verschiedener Standard-Lösungen des Analyten mit unterschiedlichen Konzentrationen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens und die Bestimmung einer Kalibriergerade verstanden. Vorteilhaft werden durch eine Kalibrierung instrumentelle Fehler und Matrixeffekte ausgeschlossen. In Ausführungsformen erfolgt die Kalibrierung mit einem internen Standard oder einem externen Standard. The term “calibration” is understood to mean a detection of different standard solutions of the analyte with different concentrations using the method according to the invention and the determination of a calibration line. Instrumental errors and matrix effects are advantageously excluded by a calibration. In embodiments, the calibration is done with an internal standard or an external standard.
Unter dem Begriff „Referenzwert“ wird eine Probe ohne Analyt umfassend die gleiche Matrix verstanden. The term "reference value" means a sample without an analyte comprising the same matrix.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kit umfassend: i. mindestens eine Oberfläche mit einem immobilisierten Analytbindungspartner, wobei der Analytbindungspartner fähig ist, mit einem Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, zu interagieren, und ii. zumindest einen deformierbaren Partikel aufweisend einen immobilisierten Interaktionspartner, wobei der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an den deformierbaren Partikel gebunden ist, wobei der Interaktionspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren. Another aspect of the invention relates to a kit comprising: i. at least one surface with an immobilized analyte binding partner, wherein the analyte binding partner is capable of interacting with an analyte selected from toxins and pathogens, and ii. at least one deformable particle having an immobilized interaction partner, the interaction partner being bound to the deformable particle via a functional group, the interaction partner being able to interact with the analyte.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kits sind der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner identisch oder verschieden. In embodiments of the kit according to the invention, the analyte binding partner and the interaction partner are identical or different.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kits ist der Analytbindungspartner und der Interaktionspartner jeweils unabhängig voneinander aus einem Metall- oder Metallionen- bindenden Peptid oder Protein, einem Chelatbildner, einem Enzym, einem Membranprotein, einem Lipopolysaccharid oder einer Nukleinsäure ausgewählt. In embodiments of the kit according to the invention, the analyte binding partner and the interaction partner are each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kits ist der deformierbare Partikel ein Hydrogelpartikel. In embodiments of the kit according to the invention, the deformable particle is a hydrogel particle.
In weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kits ist die Oberfläche transparent, semitransparent oder opak ausgebildet. In weiteren Ausführungsformen ist die Oberfläche zumindest im Bereich von 400 nm bis 600 nm transparent ausgebildet. In further embodiments of the kit according to the invention, the surface is transparent, semi-transparent or opaque. In further embodiments, the surface is transparent at least in the range from 400 nm to 600 nm.
In Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Kits ist die Oberfläche planar ausgebildet. Beispielsweise kann die Oberfläche ein Glas- oder Kunststoffformkörper sein, z. B. ein Objektträger, Deckgläschen, Siliziumwafer oder ähnliches. In Ausführungsformen der Erfindung ist die Oberfläche als Well-Platte, insbesondere 16-Well- oder 96-Well-Platte ausgebildet. In embodiments of the kit according to the invention, the surface is designed to be planar. For example, the surface can be a glass or plastic molding, e.g. B. a slide, coverslip, silicon wafer or the like. In embodiments of the invention, the surface is designed as a well plate, in particular a 16-well or 96-well plate.
In Ausführungsformen umfasst der erfindungsgemäße Kit mindestens zwei verschiedene Oberflächen mit mindestens zwei verschiedenen immobilisierten Analytbindungspartnern, wobei jeweils ein Analytbindungspartner auf einer Oberfläche immobilisiert ist, wobei die mindestens zwei verschiedenen Analytbindungspartner fähig sind, mit dem Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, zu interagieren, und zumindest einen deformierbaren Partikel aufweisend einen immobilisierten Interaktionspartner, wobei der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an den deformierbaren Partikel gebunden ist, wobei der Interaktionspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren. Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Kits zum Nachweis von Toxinen und Pathogenen in Lebensmittel-, Futtermittel-, Waschmittel-, Spülmittel-, Körperpflegemittel-, Kosmetik-, Pharmaka-, Prozesswasser-, Boden-, Gewässer-, Trinkwasser- und/oder Abwasserproben und/oder Körperflüssigkeiten, wie Blutplasma-, Blutserum- oder Urinproben. Erfindungsgemäß erfolgt der Nachweis von Toxinen und Pathogenen in wässrigen Lösungen. In embodiments, the kit according to the invention comprises at least two different surfaces with at least two different immobilized analyte binding partners, one analyte binding partner being immobilized on a surface, the at least two different analyte binding partners being able to interact with the analyte selected from toxins and pathogens, and at least one deformable particle having an immobilized interaction partner, the interaction partner being bound to the deformable particle via a functional group, the interaction partner being able to interact with the analyte. The subject matter of the invention is also the use of the method according to the invention and/or the kit according to the invention for the detection of toxins and pathogens in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, body care products, cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, Water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids such as blood plasma, blood serum or urine samples. According to the invention, toxins and pathogens are detected in aqueous solutions.
Unter dem Begriff „Prozesswasser“ wird eine wässrige Lösung in technischen Produktionsprozessen verstanden. Zweckmäßig werden einzelne Parameter des Prozesswassers im Kreislauf untersucht. The term "process water" means an aqueous solution in technical production processes. Expediently, individual parameters of the process water in the circuit are examined.
In Ausführungsformen erfolgt die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Kits zum Nachweis von Toxinen und Pathogenen in Lebensmittel-, Futtermittel-, Waschmittel-, Spülmittel-, Körperpflegemittel-, Kosmetik-, Pharmaka-, Prozesswasser-, Boden-, Gewässer-, Trinkwasser- und/oder Abwasserproben und/oder Körperflüssigkeiten, wie Blutplasma-, Blutserum- oder Urinproben; mittels der Schritte a) Bereitstellen mindestens einer Oberfläche mit einem immobilisierten Analytbindungspartner, wobei der Analytbindungspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren, b) Bereitstellen eines Interaktionspartners, wobei der Interaktionspartner über eine funktionelle Gruppe an einen deformierbaren Partikel gebunden ist, wobei der Interaktionspartner fähig ist, mit dem Analyten zu interagieren, c) Kontaktieren der Oberfläche mit einer wässrigen Lebensmittel-, Futtermittel-, Waschmittel-, Spülmittel-, Körperpflegemittel-, Kosmetik-, Pharmaka-, Prozesswasser-, Boden-, Gewässer-, Trinkwasser- und/oder Abwasserprobe und/oder Körperflüssigkeit, d) Kontaktieren der Oberfläche mit dem Interaktionspartner, wobei eine Verformung des deformierbaren Partikels erfolgt, und e) Detektion der Verformung des deformierbaren Partikels. In embodiments, the method according to the invention and/or the kit according to the invention is used for the detection of toxins and pathogens in food, animal feed, detergents, dishwashing detergents, body care products, cosmetics, pharmaceuticals, process water, soil, water , drinking water and/or waste water samples and/or body fluids such as blood plasma, blood serum or urine samples; by means of the steps a) providing at least one surface with an immobilized analyte binding partner, the analyte binding partner being able to interact with the analyte, b) providing an interaction partner, wherein the interaction partner is bound to a deformable particle via a functional group, the interaction partner being able is to interact with the analyte, c) contacting the surface with an aqueous food, feed, detergent, dishwashing liquid, personal care product, cosmetic, pharmaceutical, process water, soil, body of water, drinking water and/or or waste water sample and/or body fluid, d) contacting the surface with the interaction partner, with deformation of the deformable particle taking place, and e) detection of the deformation of the deformable particle.
Zur Realisierung der Erfindung ist es auch zweckmäßig, die vorbeschriebenen Ausführungsformen und Merkmale der Ansprüche zu kombinieren. Ausführungsbeispiele To implement the invention, it is also expedient to combine the above-described embodiments and features of the claims. exemplary embodiments
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele und zugehöriger Figuren eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen dabei die Erfindung beschreiben ohne diese zu beschränken. The invention will be explained in more detail below with reference to some exemplary embodiments and associated figures. The exemplary embodiments are intended to describe the invention without restricting it.
Es zeigen die It show the
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der deformierbare Partikel 1 , insbesondere ein Hydrogelpartikel, ist mit dem Interaktionspartner 4 und der Oberfläche 2, insbesondere ein Glaschip, mit dem Analytbindungspartner 5, insbesondere über ein selbstassemblierendes Protein 6, funktionalisiert. Unter Anwesenheit des Analyts 3 kommt es zu einer Interaktion zwischen 4 und 5 und folglich zu einer Verformung des deformierbaren Partikels 1. Dies ist durch den Radius der Kontaktfläche (a) aus der Abbildung der Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie (RICM) messbar. 1 shows a schematic representation of the method according to the invention. The deformable particle 1, in particular a hydrogel particle, is functionalized with the interaction partner 4 and the surface 2, in particular a glass chip, with the analyte binding partner 5, in particular via a self-assembling protein 6. In the presence of the analyte 3, there is an interaction between 4 and 5 and consequently a deformation of the deformable particle 1. This can be measured by the radius of the contact surface (a) from the reflection interference contrast microscopy (RICM) image.
Fig. 2 raues Lipopolysaccharid: Core-Oligosaccharid und Lipid A, EH100-Strang: eingekreist ist die funktionelle Gruppe (Aminogruppe) für die Immobilisierung der deformierbaren Partikel.Fig. 2 Rough lipopolysaccharide: core oligosaccharide and lipid A, EH100 strand: the functional group (amino group) for the immobilization of the deformable particles is circled.
Fig. 3 raues Lipopolysaccharid 3-Deoxy-d-manno-oktulonsäure-lipid A (KdO2-Lipid A) eingekreist ist die funktionelle Gruppe (Carboxygruppe) für die Immobilisierung der deformierbaren Partikel. Fig. 3 Rough lipopolysaccharide 3-deoxy-d-manno-octulonic acid lipid A (KdO2-Lipid A) circled is the functional group (carboxy group) for the immobilization of the deformable particles.
Das Prinzip der Nachweismethode ist in Fig. 1 dargestellt. Die immobilisierten Analytbindungspartner der Oberfläche wechselwirken attraktiv mit dem Analyten und der Analyt mit dem Partikel-gebundenen Interaktionspartner, in dessen Folge sich eine charakteristische Kontaktfläche zwischen Oberfläche und Partikel ausprägt. In Abhängigkeit der Konzentration des Analyten erhöht sich dadurch die Kontaktfläche. Die Bestimmung von Kontakt- und Partikelradius zur Ermittlung der Adhäsionsenergie erfolgt mittels Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie. The principle of the detection method is shown in FIG. The immobilized analyte binding partners on the surface interact attractively with the analyte and the analyte with the particle-bound interaction partner, resulting in a characteristic contact area between the surface and the particle. Depending on the concentration of the analyte, this increases the contact area. The contact and particle radius to determine the adhesion energy is determined using reflection interference contrast microscopy.
Herstellung eines deformierbaren Partikels Production of a deformable particle
Um Mikrogelpartikel mit definierter Größe und Form zu erzeugen, wird die Technik des Tröpfchenbasierten Templatings verwendet. Der Versuchsaufbau erfordert zwei hochpräzise Spritzenpumpen (eine für die Ölphase und eine für die wässrige Phase), eine mikrofluidische Durchflusszelle mit strömungsfokussierender Geometrie (25 pm an der tröpfchenbildenden Düse), ein einfaches Lichtmikroskop und eine Hochgeschwindigkeitskamera für Einzeltropfenbeobachtungen. Sofern nicht anders angegeben, enthält die erste Dispersionsphasenlösung 10 % Massenanteil PEG-Diacrylamid (4-8 kDa), versetzt mit 1 % Massenanteil LAP (Lithiumphenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinat), beide gelöst in Reinstwasser. Die kontinuierliche Phase enthält 2 % Massenanteil eines Tensids (Perfluorpolyether z.B. Polyhexafluoropropylenoxid, alternativ Polyacrylnitrilbutadienacrylat) das in dem fluorierten Öl HFE 7500 gelöst wird. Nach dem Sammeln der Emulsionen in getrennten Eppendorf-Röhrchen werden die Monomertröpfchen 1 min lang mit UV-Licht zu Mikrogelteilchen vernetzt. Droplet-based templating is used to create microgel particles with a defined size and shape. The experimental setup requires two high-precision syringe pumps (one for the oil phase and one for the aqueous phase), a microfluidic flow cell with flow-focusing geometry (25 pm at the droplet-forming nozzle), a simple light microscope, and a high-speed camera for single-drop observations. Unless otherwise stated, the first dispersion phase solution contains 10% by weight PEG-diacrylamide (4-8 kDa) mixed with 1% by weight LAP (lithium phenyl 2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate), both dissolved in ultrapure water. The continuous phase contains 2% by weight of a tenside (perfluoropolyether eg polyhexafluoropropylene oxide, alternatively polyacrylonitrile butadiene acrylate) which is dissolved in the fluorinated oil HFE 7500. After collecting the emulsions in separate Eppendorf tubes, the monomer droplets are crosslinked into microgel particles with UV light for 1 min.
Zur Reinigung der Hydrogelpartikel werden 500 pl Reinstwasser zu der gesammelten Emulsion gegeben, um genügend wässrige Phase bereitzustellen, in die die Partikel übergehen können. Um die Emulsion aufzubrechen und die hergestellten Mikrokügelchen zu isolieren, werden 250 pl Perfluoroctanollösung (PFO, 20 % (v/v) in HFE 7500) hinzugegeben. Die Emulsion Wasser/PFO- Mischung wird geschüttelt und 30 s bei 1840 x g zentrifugiert. Das Öl wird entfernt und es werden erneut 250 pl Perfluoroctanollösung zugesetzt. Die Partikelsuspension wird ein weiteres Mal zentrifugiert und die Perfluoroctanollösung entfernt. Die so erhaltenen Partikel können nun mittels Crotonsäure funktionalisiert werden. To clean the hydrogel particles, 500 μl of ultrapure water are added to the collected emulsion in order to provide enough aqueous phase into which the particles can migrate. To break the emulsion and isolate the produced microspheres, 250 µl perfluorooctanol solution (PFO, 20% (v/v) in HFE 7500) is added. The emulsion water/PFO mixture is shaken and centrifuged at 1840 x g for 30 s. The oil is removed and another 250 μl of perfluorooctanol solution is added. The particle suspension is centrifuged once more and the perfluorooctanol solution is removed. The particles obtained in this way can now be functionalized using crotonic acid.
Funktionalisierung der deformierbaren Partikel Functionalization of the deformable particles
Zur Einführung von Aminogruppen wurden COOH-funktionalisierte Hydrogelsonden mit einem Durchmesser von 22,5 pm zunächst mit einer 20 mM EDC- und 50 mM sulfoNHS-Lösung (100 mM HEPES, pH = 7,0) unter Rühren aktiviert. Anschließend wurden 50 pl einer 50 mM Fluorenylmethoxycarbonyl-NH-PEG-NH2-Lösung zugesetzt und die Kopplung erfolgte über einen Zeitraum von 60 min. Die Schutzgruppe verhindert dabei die Quervernetzung der Partikel. Nach erfolgter Reaktion, wurden die Partikel für 10 min bei 1800 x g zentrifugiert, der Überstand verworfen und die Partikel mehrfach mit HEPES-Puffer (100 mM, pH = 7,0) gespült. Zur Abspaltung der Schutzgruppe wurden die Partikel erneut zentrifugiert, der Überstand verworfen und ein 20 %-iges Piperidin-Wasser-Gemisch zugesetzt. Nach 15-minütiger Reaktion wurden die Partikel wiederum zentrifugiert und mehrfach mit destilliertem Wasser und HEPES-Puffer gespült. To introduce amino groups, COOH-functionalized hydrogel probes with a diameter of 22.5 μm were first activated with a 20 mM EDC and 50 mM sulfoNHS solution (100 mM HEPES, pH=7.0) with stirring. Then 50 μl of a 50 mM fluorenylmethoxycarbonyl-NH-PEG-NH 2 solution were added and the coupling took place over a period of 60 min. The protective group prevents cross-linking of the particles. After the reaction had taken place, the particles were centrifuged for 10 min at 1800×g, the supernatant was discarded and the particles were rinsed several times with HEPES buffer (100 mM, pH=7.0). To split off the protective group, the particles were centrifuged again, the supernatant was discarded and a 20% piperidine/water mixture was added. After 15 minutes of reaction, the particles were again centrifuged and rinsed several times with distilled water and HEPES buffer.
Ausführungsbeispiel 1 : Nachweis von Kupfer (l)-lonen Exemplary embodiment 1 detection of copper(I) ions
Für den Nachweis von Cu(l)-Ionen wird die kupferabhängige Interaktion zwischen einem Kupfer- Transport-Protein, Cox17, und einem Chaperon der Cytochrom C Oxidase in der mitochondrialen Atmungskette, Sco1 , genutzt. Horng et al beschreiben, dass Cox17 im Membranzwischenraum des Mitochondriums Cu(l) an Sco1 übergibt (Horng et al. 2004). Als Interaktionspartner wird die trunkierte Version von Sco1 ohne Transmembrandomäne mit einem His-Tag verwendet und als Analytbindungspartner Cox17. The copper-dependent interaction between a copper transport protein, Cox17, and a chaperone of the cytochrome c oxidase in the mitochondrial respiratory chain, Sco1, is used to detect Cu(I) ions. Horng et al describe that Cox17 transfers Cu(l) to Sco1 in the membrane space of the mitochondrion (Horng et al. 2004). The truncated version of Sco1 without a transmembrane domain with a His tag is used as the interaction partner and Cox17 as the analyte binding partner.
Für die Herstellung einer funktionalisierten Oberfläche wurden 24 Deckgläschen (Menzel-Gläser, 0 32 mm) in ein Teflon-Rack gelegt und für 30 min in einem Ultraschallbad mit destilliertem Wasser belassen. Nach dreimaligem Spülen mit destilliertem Wasser wurden die Gläser weitere 30 min in denaturiertem Ethanol per Ultraschallbad gereinigt. Anschließend wurden die Deckgläschen dreimal mit destilliertem Wasser gespült. Die weitere Reinigung wurde unter Verwendung einer Mischung aus 50 ml H2O2 (35 %), 50 ml 25 %-iger wässriger NHs-Lösung und 250 ml destilliertem Wasser durchgeführt, was einem Gesamtvolumen von 350 ml entspricht. Die Lösung wurde auf einer Heizplatte auf 60°C erhitzt und das Teflon-Rack mit den Deckgläschen 10 Minuten in der Lösung belassen. Nach zweimaligem Spülen mit destilliertem Wasser wurden die Deckgläser im Stickstoffstrom getrocknet. To produce a functionalized surface, 24 cover slips (Menzel glasses, 0 32 mm) were placed in a Teflon rack and left in an ultrasonic bath with distilled water for 30 min. After rinsing three times with distilled water, the glasses were cleaned for a further 30 min in denatured ethanol using an ultrasonic bath. The coverslips were then rinsed three times with distilled water. Further purification was performed using a mixture of 50 mL H2O2 (35%), 50 mL 25% aqueous NHs solution and 250 mL distilled water, for a total volume of 350 mL. The solution was heated to 60°C on a hot plate and the Teflon rack with the coverslips was left in the solution for 10 minutes. After rinsing twice with distilled water, the coverslips were dried in a stream of nitrogen.
Zur Einführung von Aminogruppen wurde eine 20 mM 3-Aminopropyltriethoxysilan-Lösung in 9:1 (Vol./Vol.) Isopropanol/destilliertes Wasser hergestellt (225 ml Isopropanol, 25 ml destilliertes Wasser und 1 ,16 ml APTES). Das Teflon-Rack mit den Deckgläsern wurde anschließend für 120 min in der Lösung belassen, gründlich mit Isopropanol gespült und im Stickstoffstrom getrocknet. Danach wurden die Deckgläser in eine Petrischale gelegt und für 60 min bei 120 0 C getempert. Zur weiteren Funktionalisierung mit Carboxygruppen wurden die Deckgläschen für 1 h (Raumtemperatur) in 250 ml einer 240 mM Bernsteinsäureanhydrid-Lösung (6 g in 250 ml) in Tetrahydrofuran (THF) (6 g in 250 ml) belassen, danach zweimal mit THF sowie einmal mit Wasser gewaschen und im Stickstoffstrom getrocknet. To introduce amino groups, a 20 mM 3-aminopropyltriethoxysilane solution in 9:1 (v/v) isopropanol/distilled water was prepared (225 ml isopropanol, 25 ml distilled water and 1.16 ml APTES). The Teflon rack with the cover glasses was then left in the solution for 120 min, rinsed thoroughly with isopropanol and dried in a stream of nitrogen. Thereafter, the cover slips were placed in a Petri dish and heated at 120 ° C. for 60 min. For further functionalization with carboxy groups, the coverslips were left in 250 ml of a 240 mM succinic anhydride solution (6 g in 250 ml) in tetrahydrofuran (THF) (6 g in 250 ml) for 1 h (room temperature), then twice with THF and once washed with water and dried in a stream of nitrogen.
Um den Chelator /Va,/Va-Bis(Carboxymethyl)Lysin (NTA-NH2) zu koppeln, wurden Oberflächen zunächst mit 1 ,5 ml einer 20 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimid (EDC)- und 50 mM N-Hydroxysulfo-succinimid (NHS)-Lösung in MES (3,834 mg/ml EDC und 5,75 mg/ml NHS, pH 5,0) bedeckt und für 15 min bei Raumtemperatur belassen. Nachdem die Reaktionslösung abgenommen und die Deckgläschen je einmal mit MES-Puffer und zweimal mit HEPES-Puffer (pH = 7,0) gewaschen wurden, wurden 1 ,5 ml 20 mM NTA-NH2 in HEPES pro Deckgläschen zugegeben und für 2 h bei Raumtemperatur belassen und die Oberflächen nach erfolgter Reaktion einmal mit HEPES und einmal mit destillierten Wasser gespült. Zur Beseitigung von Verunreinigungen in Form von Metallionen wurde auf jedes Deckgläschen 1 ,5 ml Na2EDTA- Lösung (20 mM, 7,45 mg/ml) in destilliertes Wasser gegeben und 30 min bei Raumtemperatur belassen. Die Oberflächen wurden nun mehrfach mit destilliertem Wasser gewaschen, mit je 1 ,5 ml einer 20 mM NiCh-Lösung in Citratpuffer bedeckt, nach 30 min mit destilliertem Wasser gespült und im Stickstoffstrom getrocknet. Durch den Citratpuffer werden unerwünschte Fällungen des Nickels vermieden. Die Ni-NTA-Beschichtung erlaubt die Immobilisierung eines Proteins mit einer Hexahistidin-Sequenz. Hierzu wurden die erfindungsgemäßen Oberflächen zunächst an einen 16-Wel I-Träger (CS16-CultureWell™, Grace Biolabs) mit selbstklebender Unterseite und einem Volumen von 400 pl/Well geklebt und die Wells zweimal mit je 250 pl Ladepuffer (150 mM Na2HPO4, 10 mM Imidazol, pH 8,0) gewaschen. In order to couple the chelator /V a ,/Va-bis(carboxymethyl)lysine (NTA-NH2), surfaces were first treated with 1.5 ml of a 20 mM 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide (EDC) and 50 mM N-hydroxysulfo-succinimide (NHS) solution in MES (3.834 mg/ml EDC and 5.75 mg/ml NHS, pH 5.0) and left at room temperature for 15 min. After removing the reaction solution and washing the coverslips once with MES buffer and twice with HEPES buffer (pH=7.0), 1.5 ml of 20 mM NTA-NH2 in HEPES were added to each cover slip and left at room temperature for 2 h left and the surfaces rinsed once with HEPES and once with distilled water after the reaction has taken place. To remove impurities in the form of metal ions, 1.5 ml of Na2EDTA solution (20 mM, 7.45 mg/ml) in distilled water was placed on each cover glass and left at room temperature for 30 minutes. The surfaces were then washed several times with distilled water, covered with 1.5 ml each of a 20 mM NiCh solution in citrate buffer, and after 30 minutes with distilled water rinsed and dried in a stream of nitrogen. The citrate buffer prevents unwanted precipitation of the nickel. The Ni-NTA coating allows the immobilization of a protein with a hexahistidine sequence. For this purpose, the surfaces according to the invention were first glued to a 16-well I-carrier (CS16-CultureWell™, Grace Biolabs) with a self-adhesive underside and a volume of 400 μl/well, and the wells were filled twice with 250 μl loading buffer (150 mM Na2HPO4, 10 mM imidazole, pH 8.0).
Anschließend wurden in jedes Well 190 pl Ladepuffer vorgelegt, 10 pl einer 100 pg/ml Hexahistidin-Analytbindungspartner-Lösung pro Well zugegeben, die Oberflächen für 60 min bei Raumtemperatur inkubiert und die Oberflächen abschließend mehrfach mit Ladepuffer gewaschen, um unspezifisch gebundenes Protein zu entfernen. Then 190 μl of loading buffer were placed in each well, 10 μl of a 100 μg/ml hexahistidine analyte binding partner solution were added per well, the surfaces were incubated for 60 min at room temperature and the surfaces were finally washed several times with loading buffer to remove non-specifically bound protein.
Zur weiteren Funktionalisierung der Hydrogel-Sonden wurden diese zunächst mit 1 ml HEPES, 100 mM, pH = 7,0 gewaschen, in einer Lösung aus 100 mM MES Puffer mit EDO (20 mM) und s-NHS (50 mM) suspendiert und durch Inkubation für 30 min bei Raumtemperatur aktiviert. Die Suspension wird mehrfach mit HEPES gewaschen. Nach erfolgter Aktivierung der Sonden konnte Sco1 durch Zugabe von 1 ml 1 mg/ml Sco1 Lösung in HEPES zu den Sonden und zweistündiger Reaktion bei Raumtemperatur an die Sonden gekoppelt werden. Die Partikel wurden nun erneut mehrfach mit HEPES-Puffer gewaschen. For further functionalization of the hydrogel probes, they were first washed with 1 ml HEPES, 100 mM, pH=7.0, suspended in a solution of 100 mM MES buffer with EDO (20 mM) and s-NHS (50 mM) and through Incubate for 30 min at room temperature. The suspension is washed several times with HEPES. After activation of the probes, Sco1 could be coupled to the probes by adding 1 ml of 1 mg/ml Sco1 solution in HEPES to the probes and reacting at room temperature for two hours. The particles were then washed again several times with HEPES buffer.
Es kann mindestens eine Kuper(l) Konzentration von 100 pM Cu (I) nachgewiesen werden. At least a copper(I) concentration of 100 pM Cu(I) can be detected.
Ausführungsbeispiel 2: Nachweis von Bakteriophagen 0X174 Example 2: Detection of bacteriophage 0X174
Bakteriophagen 0X174 interagieren mit den Lipopolyscchariden (LPS) auf der Oberfläche der Wirtszellen von Escherichia coli. Daher werden zum Nachweis von Bakteriophagen 0X174 die LPS isoliert (siehe Sun et al. 2014, Sun et al. 2017, Schön et al. 1995) und zur Beschichtung der Oberfläche auf einem Glasobjektträger sowie auf einem deformierbaren Partikel, insbesondere einem Hydrogelpartikel, immobilisiert. Bacteriophage 0X174 interact with the lipopolysaccharides (LPS) on the surface of Escherichia coli host cells. Therefore, to detect bacteriophage 0X174, the LPS are isolated (see Sun et al. 2014, Sun et al. 2017, Schön et al. 1995) and immobilized on a glass slide and on a deformable particle, in particular a hydrogel particle, for coating the surface.
Die Isolation der LPS kann durch verschiedene Methoden erfolgen (siehe Davis und Goldberg 2012, Henderson et al. 2013, Westphal und Lüderitz 1954). Die Beschichtung der deformierbaren Partikel, insbesondere der Hydrogel-Sonden, erfolgt durch COOH-Aktivierung mittels EDC/NHS und der Kopplung rauer Lipopolysaccharide (Core-Oligosaccharid und Lipid A, EH100-Strang) (siehe Fig. 2). Alternativ erfolgt die Kopplung von KdO2-Lipid A (siehe Fig. 3) (Wang et al. 2015). LPS can be isolated using various methods (see Davis and Goldberg 2012, Henderson et al. 2013, Westphal and Lüderitz 1954). The deformable particles, in particular the hydrogel probes, are coated by COOH activation using EDC/NHS and the coupling of rough lipopolysaccharides (core oligosaccharide and lipid A, EH100 strand) (see FIG. 2). Alternatively, KdO2-Lipid A is coupled (see Fig. 3) (Wang et al. 2015).
Ausführungsbeispiel 3: Nachweis von miRNA Example 3: Detection of miRNA
In einer Ausführungsform werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren spezifische microRNA (miRNA), insbesondere miR-335, miR-193b oder miR-302, unterschiedlicher pathologischer und physiologischer Zustände nachgewiesen. Dabei wird eine y-Peptid-Nukleinsäure (y-PNA) eines Teilstücks einer komplementären Sequenz der Ziel miRNA endständig über Linker, insbesondere einem PEG-Linker, an der Oberfläche gekoppelt und ein anderer Teil einer zur Ziel-miRNA komplementären y-PNA endständig mittels Linker, insbesondere PEG-Linker, an den deformierbaren Partikel gebunden. Im entsprechenden Nachweisexperiment interagiert die zu analysierende miRNA jeweils die komplementären Stränge der y-PNA, sowohl auf der Oberfläche als auch an dem deformierbaren Partikel. Die spezifische Interaktion der miRNA wird über die Adhäsion und Deformation des Mikropartikels an der Oberfläche quantitativ mittels Reflexionsinterferenzmikroskopie in Abhängigkeit des Vorhandenseins der miRNA in der Analytlösung nachgewiesen. In one embodiment, specific microRNA (miRNA), in particular miR-335, miR-193b or miR-302, of different pathological and physiological states are detected with the method according to the invention. A y-peptide nucleic acid (y-PNA) of a segment of a complementary sequence of the target miRNA is terminally coupled to the surface via linkers, in particular a PEG linker, and another part of a y-PNA complementary to the target miRNA is terminally coupled by means Linkers, in particular PEG linkers, attached to the deformable particle. In the corresponding detection experiment, the miRNA to be analyzed interacts with the complementary strands of the y-PNA, both on the surface and on the deformable particle. The specific interaction of the miRNA is quantitatively detected via the adhesion and deformation of the microparticle on the surface using reflection interference microscopy depending on the presence of the miRNA in the analyte solution.
Ausführungsbeispiel 4: Nachweis von Endotoxinen bzw. Bakterien Exemplary embodiment 4 detection of endotoxins or bacteria
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden Endotoxine in Analytlösungen nachgewiesen werden. Dafür werden an die Oberfläche wie auch an die deformierbaren Partikel Sushi-Peptide, insbesondere S1 und S3, immobilisiert, welche aus der Faktor C Sushil- und Sushi3-Domäne abgeleitet sind und spezifisch Lipopolysaccharide von Gram-negativen Bakterien binden (Ding et al. 2008). Eine endständige Kopplung der Peptide erfolgt über ein eingefügtes Biotin an die Streptavidin-modifizierte Oberfläche und den Partikel. Die spezifische Interaktion der Lipopolysaccharide wird anschließend über die Adhäsion und Deformation des Mikropartikels an der Oberfläche quantitativ mittels Reflexionsinterferenzmikroskopie in Abhängigkeit des Vorhandenseins der Lipopolysaccharide in der Analytlösung nachgewiesen. In a further embodiment of the invention, endotoxins will be detected in analyte solutions. For this purpose, sushi peptides, in particular S1 and S3, are immobilized on the surface and on the deformable particles, which are derived from the factor C sushil and sushi3 domain and specifically bind lipopolysaccharides from Gram-negative bacteria (Ding et al. 2008 ). A terminal coupling of the peptides takes place via an inserted biotin on the streptavidin-modified surface and the particle. The specific interaction of the lipopolysaccharides is then quantitatively detected via the adhesion and deformation of the microparticle on the surface using reflection interference microscopy as a function of the presence of the lipopolysaccharides in the analyte solution.
Reflexionsinterferenzmikroskopie reflection interference microscopy
Nachdem die Oberfläche, beispielsweise eine Glasoberfläche, und die Partikel beschichtet wurden, konnten sie für die Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie (RICM) eingesetzt werden. Hierzu wurden die erfindungsgemäßen Oberflächen an einen 16-Wel I-Träger (CS16- CultureWell™, Grace Biolabs) mit selbstklebender Unterseite und einem Volumen von 400 pl/Well geklebt. Anschließend wurden je 200 pl/Well Analytlösung (100 mM HEPES-Puffer pH = 7) zugesetzt. Nach 30-minütiger Inkubation der Oberflächen wurden 10 pl/Well der funktionalisierten Hydrogelpartikel hinzugefügt und die Oberflächen nach Sedimentation der Hydrogelpartikel mikroskopiert. After the surface, for example a glass surface, and the particles were coated, they could be used for reflection interference contrast microscopy (RICM). For this purpose, the surfaces according to the invention were glued to a 16-well I-carrier (CS16-CultureWell™, Grace Biolabs) with a self-adhesive underside and a volume of 400 μl/well. Subsequently, 200 μl/well of analyte solution (100 mM HEPES buffer pH=7) were added. After the surfaces had been incubated for 30 minutes, 10 μl/well of the functionalized hydrogel particles were added and the surfaces were microscopically examined after sedimentation of the hydrogel particles.
Die Aufnahme der radialen Intensitätsprofile der Hydrogelpartikel auf der funktionalisierten Oberfläche im Reflexionsinterferenzkontrastverfahren erfolgte mittels Inversmikroskopsystem (Olympus IX 73) mit einem 60 x Immersionsobjektiv (Olympus UPlanSAPO 60x Oil Microscope Objective). Aus den aufgenommenen Profilen konnten anschließend Kontaktradien a von Partikel und Oberfläche sowie die Partikelradien RHGS mittels einer eigens dafür entwickelten Software automatisiert ermittelt werden. Gemäß Johnson-Kendall-Roberts-Modell stehen diese Größen mit der Adhäsionsenergie Wadh in folgendem Zusammenhang (Johnson et al. 1971):
Figure imgf000025_0001
The radial intensity profiles of the hydrogel particles on the functionalized surface were recorded using the reflection interference contrast method using an inverted microscope system (Olympus IX 73) with a 60x immersion objective (Olympus UPlanSAPO 60x Oil Microscope Objective). From the recorded profiles, contact radii a of particles and surface as well as the particle radii R HGS could then be automatically determined using software specially developed for this purpose. According to the Johnson-Kendall-Roberts model, these quantities are related to the adhesion energy W adh as follows (Johnson et al. 1971):
Figure imgf000025_0001
Beispielhaft weist ein deformierbarer Partikel ein Elastizitätsmodul EHGS von 15 kPa und eine Poissonzahl v von 0,5 auf, woraus unter Kenntnis des Partikel- und Kontaktradius die korrespondierende Adhäsionsenergie des Systems bestimmt werden kann. For example, a deformable particle has a modulus of elasticity E HGS of 15 kPa and a Poisson's ratio v of 0.5, from which the corresponding adhesion energy of the system can be determined if the particle and contact radius are known.
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1 Deformierbarer Partikel 1 Deformable Particle
2 Oberfläche 2 surface
3 Analyt 3 analytes
4 Interaktionspartner 4 interaction partners
5 Analytbindungspartner 5 analyte binding partners
6 Selbstassemblierendes Protein 6 Self-Assembling Protein

Claims

26 Patentansprüche 26 patent claims
1. Verfahren zum Nachweis eines Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen mindestens einer Oberfläche (2) mit einem immobilisierten Analytbindungspartner (5), wobei der Analytbindungspartner (5) fähig ist, mit dem Analyten (3) zu interagieren, b) Bereitstellen eines Interaktionspartners (4), wobei der Interaktionspartner (4) über eine funktionelle Gruppe an einen deformierbaren Partikel (1) gebunden ist, wobei der Interaktionspartner (4) fähig ist, mit dem Analyten (3) zu interagieren, c) Kontaktieren der Oberfläche (2) mit einer wässrigen Lösung enthaltend einen Analyten (3), ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, wobei der Analyt (3) mit dem Analytbindungspartner (5) interagiert, wobei ein Komplex aus Analytbindungspartner (5) und Analyt (3) gebildet wird, d) Kontaktieren der Oberfläche (2) mit dem Interaktionspartner (4), wobei der Interaktionspartner (4) mit dem Komplex aus Analytbindungspartner (5) und Analyt (3) interagiert, wobei eine Verformung des deformierbaren Partikels (1) erfolgt, und e) Detektion der Verformung des deformierbaren Partikels (1). 1. A method for detecting an analyte selected from toxins and pathogens, comprising the steps of: a) providing at least one surface (2) with an immobilized analyte binding partner (5), wherein the analyte binding partner (5) is capable of binding with the analyte (3) to interact, b) providing an interaction partner (4), wherein the interaction partner (4) is bound to a deformable particle (1) via a functional group, wherein the interaction partner (4) is capable of interacting with the analyte (3), c) contacting the surface (2) with an aqueous solution containing an analyte (3) selected from toxins and pathogens, wherein the analyte (3) interacts with the analyte binding partner (5), wherein a complex of analyte binding partner (5) and analyte ( 3) is formed, d) contacting the surface (2) with the interaction partner (4), wherein the interaction partner (4) interacts with the complex of analyte binding partner (5) and analyte (3), wherein e ine deformation of the deformable particle (1) takes place, and e) detection of the deformation of the deformable particle (1).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Analyt (3) ein Metallpartikel oder ein Metailion, ein Virus, ein Bakterium oder Biomarker ist. . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Analytbindungspartner (5) und der Interaktionspartner (4) jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist, aus einem Metall- oder Metallionen-bindenden Peptid oder Protein, einem Chelatbildner, einem Enzym, einem Membranprotein, einem Lipopolysaccharid oder einer Nukleinsäure. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der2. The method according to claim 1, characterized in that the analyte (3) is a metal particle or a metal ion, a virus, a bacterium or a biomarker. . The method according to claim 1 or 2, characterized in that the analyte binding partner (5) and the interaction partner (4) is each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid. . The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the
Analytbindungspartner (5) und der Interaktionspartner (4) identisch ist. . Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass derAnalyte binding partner (5) and the interaction partner (4) is identical. . The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the
Analytbindungspartner (5) ein Fusionsprotein ist, bevorzugt ein Fusionsprotein mit einem Protein-Tag oder Hydrophobin. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der deformierbare Partikel (1) ein Hydrogelpartikel ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der deformierbare Partikel (1) ein Elastizitätsmodul von 10 kPa bis 100 kPa aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass derAnalyte binding partner (5) is a fusion protein, preferably a fusion protein with a protein tag or hydrophobin. Method according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the deformable particle (1) is a hydrogel particle. Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the deformable particle (1) has a modulus of elasticity of 10 kPa to 100 kPa. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the
Interaktionspartner (4) an den deformierbaren Partikel (1) über einen Linker gebunden ist, wobei der Linker eine Konturlänge im Bereich von 5 Ä bis 200 Ä und/oder einen Polymerisationsgrad im Bereich von 1 bis 70 aufweist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mittels Reflexionsinterferenzkontrastmikroskopie erfolgt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) zumindest im Bereich von 400 nm bis 600 nm transparent ausgebildet ist. Kit umfassend: i. mindestens eine Oberfläche (2) mit einem immobilisierten Analytbindungspartner (5), wobei der Analytbindungspartner (5) fähig ist, mit einem Analyten, ausgewählt aus Toxinen und Pathogenen, zu interagieren, und ii. zumindest einen deformierbaren Partikel (1) aufweisend einen immobilisierten Interaktionspartner (4), wobei der Interaktionspartner (4) über eine funktionelle Gruppe an den deformierbaren Partikel (1) gebunden ist, wobei der Interaktionspartner (4) fähig ist, mit dem Analyten (3) zu interagieren. Kit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dadurch gekennzeichnet, dass der Analytbindungspartner (5) und der Interaktionspartner (4) identisch oder verschieden sind. Kit nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Analytbindungspartner (5) und der Interaktionspartner (4) jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist, aus einem Metall- oder Metallionen-bindenden Peptid oder Protein, einem Chelatbildner, einem Enzym, einem Membranprotein, einem Lipopolysaccharid oder einer Nukleinsäure. Kit nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der deformierbare Partikel (1) ein Hydrogelpartikel ist. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und/oder eines Kits nach einem der Ansprüche 11 bis 14 zum Nachweis von Toxinen und Pathogenen in Lebensmittel-, Futtermittel-, Waschmittel-, Spülmittel-, Körperpflegemittel-, Kosmetik-, Pharmaka-, Prozesswasser-, Boden-, Gewässer-, Trinkwasser- und/oder Abwasserproben und/oder Körperflüssigkeiten. Interaction partner (4) is bound to the deformable particle (1) via a linker, the linker having a contour length in the range from 5 Å to 200 Å and/or a degree of polymerization in the range from 1 to 70. Method according to one of Claims 1 to 8, characterized in that the detection takes place by means of reflection interference contrast microscopy. Method according to one of Claims 1 to 9, characterized in that the surface (2) is transparent at least in the range from 400 nm to 600 nm. Kit comprising: i. at least one surface (2) having an immobilized analyte binding partner (5), said analyte binding partner (5) being capable of interacting with an analyte selected from toxins and pathogens, and ii. at least one deformable particle (1) having an immobilized interaction partner (4), the interaction partner (4) being bound to the deformable particle (1) via a functional group, the interaction partner (4) being able to interact with the analyte (3) to interact. Kit according to Claim 11, characterized in that the analyte binding partner (5) and the interaction partner (4) are identical or different. Kit according to claim 11 or 12, characterized in that the analyte binding partner (5) and the interaction partner (4) is each independently selected from a metal or metal ion-binding peptide or protein, a chelating agent, an enzyme, a membrane protein, a lipopolysaccharide or a nucleic acid. Kit according to one of Claims 11 to 13, characterized in that the deformable particle (1) is a hydrogel particle. Use of a method according to one of Claims 1 to 10 and/or of a kit according to one of Claims 11 to 14 for the detection of toxins and pathogens in foodstuffs, feedstuffs, detergents, dishwashing detergents, personal care products, cosmetics, pharmaceuticals, Process water, soil, water, drinking water and/or waste water samples and/or body fluids.
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