DE10221091B4 - SECM for the detection of nucleic acid oligomer hybridization events - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen
umfassend die Schritte
a) Bereitstellen einer modifizierten
Oberfläche,
wobei die Modifikation in der Anbindung von wenigstens einer Art
von Ligat-Oligonukleotiden besteht,
b) Bereitstellen einer
Probe mit Ligand-Oligonukleotiden,
c) Inkontaktbringen einer
Lösung
mit der modifizierten Oberfläche,
wobei die Lösung
wenigstens eine Art von redoxaktiver Spezies enthält,
d)
Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche,
e)
Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies
durch ein geeignetes elektrochemisches Verfahren mit Hilfe einer
Messelektrode, deren Abstand von der modifizierten Oberfläche maximal
5 mal so groß ist wie
der Radius ihrer elektrochemisch aktiven Oberfläche,
f) Vergleich der
in Schritt e) erhaltenen Werte mit Referenzwerten.A method of detecting nucleic acid oligomer hybridization events comprising the steps
a) providing a modified surface, the modification consisting in the attachment of at least one type of ligate oligonucleotide,
b) providing a sample with ligand oligonucleotides,
c) contacting a solution with the modified surface, wherein the solution contains at least one type of redox-active species,
d) contacting the sample with the modified surface,
e) detection of reduction and / or oxidation of the redox-active species by a suitable electrochemical method using a measuring electrode whose distance from the modified surface is at most 5 times the radius of its electrochemically active surface,
f) Comparison of the values obtained in step e) with reference values.
Description
Technisches Gebiettechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen unter Anwendung der Scanning Electrochemical Microscopy.The The present invention relates to a method for detecting nucleic acid oligomer hybridization events using Scanning Electrochemical Microscopy.
Aus
der
Grundlage
dieser Detektion durch ein elektrochemisches Verfahren unter Verstärkung durch
Recycling der Redoxspezies ist die Tatsache, dass eine Elektrode,
die mit Hilfe eines Potentiostaten auf ein geeignetes konstantes
Potential gegenüber
einer Referenzelektrode polarisiert ist, eine sich in Lösung befindliche
Redoxspezies entsprechend des Potentials oxidieren bzw. reduzieren
kann. Gemäß
Das
oben beschriebene elektrochemische Detektionsverfahren wird als "Elektrochemische
Rastermikroskopie (SECM)" bezeichnet
und gehört
zur Klasse der Rastersondentechniken, gemäß denen eine Messsonde sequentiell über eine
Oberfläche
(Probe) gerastert wird und die aufgenommene Messgröße für jeden Rasterpunkt
aus der Wechselwirkung zwischen Sonde und Probe resultiert. Im speziellen
Fall der SECM dient eine Ultramikroelektrode (UME) als Sonde, welche
in einem Arbeitsabstand in der Größenordnung des Elektrodenspitzenradius
in einem Elektrolyt über
die Oberfläche
bewegt wird. Das Potential der UME wird dabei über einen Potentiostaten so
eingestellt, dass eine gelöste
redoxaktive Spezies diffusionskontrolliert umgesetzt wird. Nähert man
die UME schrittweise an die Oberfläche an und detektiert dabei
den resultierenden Strom, so können
zwei Fälle
unterschieden werden. Handelt es sich um eine nicht leitfähige Oberfläche, so bewirkt
die Annäherung
der UME durch die Störung
des zuvor hemisphärischen
Diffusionsfeldes einen verminderten Stofftransport zur UME und somit
eine Abnahme im Diffusionsgrenzstrom. Man spricht vom negativen Feedback
(
Ein Rastern der Oberfläche bei konstantem Abstand unter Detektion des Stroms (Constant height mode) bzw. bei konstantem Strom unter Detektion des nachgeregelten Mikroelektrodenabstandes (Constant current mode) erlaubt somit die Topographierung der Oberfläche bzw. der elektrochemischen Aktivität der Oberfläche.One Raster of the surface at a constant distance with detection of the current (Constant height mode) or at constant current with detection of the readjusted Microelectrode distance (Constant Current mode) thus allows the Topography of the surface or the electrochemical activity of the surface.
In der Krankheitsdiagnose, bei toxikologischen Testverfahren, in der genetischen Forschung und Entwicklung, sowie auf dem Agrar- und pharmazeutischen Sektor wird zunehmend auch die Sequenzanalyse von DNA und RNA eingesetzt. Neben den bekannten seriellen Verfahren mit autoradiographischer oder optischer Detektion finden zunehmend parallele Detektionsverfahren mittels Array-Technologie unter Verwendung sogenannter DNA-Chips Anwendung. Auch bei den parallelen Verfahren beruht die eigentliche Detektion auf optischen, radiographischen, massenspektrometrischen oder elektrochemischen Methoden.In disease diagnosis, toxicological testing, genetic research and development, as well as in the agricultural and pharmaceutical sectors, the sequential analysis of DNA and RNA is increasingly being used. In addition to the known serial methods with autoradiographic or optical detection are increasingly parallel detection methods using array technology using soge called DNA chips application. Even in the case of the parallel methods, the actual detection is based on optical, radiographic, mass spectrometric or electrochemical methods.
Zur DNA-Analyse auf einem Chip wird auf einer Oberfläche eine Bibliothek bekannter DNA-Sequenzen ("Ligat-Oligonukleotide") in einem geordneten Raster fixiert, so dass die Position jeder individuellen DNA-Sequenz bekannt ist. Existieren in der Untersuchungslösung DNA-Fragmente ("Ligand-Oligonukleotide"), deren Sequenzen zu bestimmten Ligat-Oligonukleotiden auf dem Chip komplementär sind, so können die Ligand-Oligonukleotide durch Nachweis der entsprechenden Hybridisierungsereignisse auf dem Chip identifiziert (gelesen) werden.to DNA analysis on a chip becomes known on a surface of a library DNA sequences ("ligate oligonucleotides") in an ordered Grid fixed so that the position of each individual DNA sequence is known. Exist in the study solution DNA fragments ("ligand oligonucleotides"), their sequences are complementary to certain ligate oligonucleotides on the chip, so can the ligand oligonucleotides by detection of the corresponding hybridization events be identified (read) on the chip.
Obwohl
inzwischen Verfahren zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen mit
Hilfe der Chip-Technologie bekannt sind (
Darstellung der Erfindungpresentation the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen zu schaffen, welches Messungen mit hoher Reproduzierbarkeit erlaubt.task Therefore, the present invention is a method for detection of nucleic acid oligomer hybridization events to create, which allows measurements with high reproducibility.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß unabhängigem Patentanspruch 1 und den Kit gemäß unabhängigem Patentanspruch 28 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren.These The object is achieved by the method according to independent claim 1 and the kit according to independent claim 28 solved. Further advantageous details, aspects and embodiments of the present invention Invention will be apparent from the dependent claims, the Description, examples and figures.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt:
- DNA
- Desoxyribonukleinsäure
- RNA
- Ribonukleinsäure
- PNA
- Peptidnukleinsäure (Synthetische DNA oder RNA, bei der die Zucker-Phosphat Einheit durch eine Aminosäure ersetzt ist. Bei Ersatz der Zucker-Phosphat Einheit durch die -NH-(CH2)2-N(COCH2-Base)-CH2CO- Einheit hybridisiert PNA mit DNA.)
- A
- Adenin
- G
- Guanin
- C
- Cytosin
- T
- Thymin
- U
- Uracil
- Base
- A, G, T, C oder U
- Bp
- Basenpaar
- Nukleinsäure
- Wenigstens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- (z.B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z.B. Adenin oder Guanin). Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z.B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Strukturen (z.B. Phosphoramid-, Thio-Phosphat- oder Dithio-Phosphat-Rückgrat). Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann.
- nt
- Nukleotid
- Nukleinsäure-Oligomer
- Nukleinsäure nicht näher spezifizierter Basenlänge (z.B. Nukleinsäure-Oktamer: Eine Nukleinsäure mit beliebigem Rückgrat, bei der 8 Pyrimidin- oder Purin-Basen kovalent aneinander gebunden sind.).
- ns-Oligomer
- Nukleinsäure-Oligomer
- Oligomer
- Äquivalent zu Nukleinsäure-Oligomer.
- Oligonukleotid
- Äquivalent zu Oligomer oder Nukleinsäure-Oligomer, also z.B. ein DNA-, PNA- oder RNA-Fragment nicht näher spezifizierter Basenlänge.
- Oligo
- Abkürzung für Oligonukleotid.
- Mismatch
- Zur Ausbildung der Watson-Crick Struktur doppelsträngiger Oligonukleotide hybridisieren die beiden Einzelstränge derart, dass die Base A (bzw. C) des einen Strangs mit der Base T (bzw. G) des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet (bei RNA ist T durch Uracil ersetzt). Jede andere Basenpaarung bildet keine Wasserstoffbrücken aus, verzerrt die Struktur und wird als "Mismatch" bezeichnet.
- ss
- Single strand (Einzelstrang)
- ds
- Double strand (Doppelstrang)
- Oxidationsmittel
- Chemische Verbindung (chemische Substanz), die durch Aufnahme von Elektronen aus einer anderen chemischen Verbindung (chemischen Substanz) diese andere chemische Verbindung (chemische Substanz) oxidiert.
- Reduktionsmittel
- Chemische Verbindung (chemische Substanz), die durch Abgabe von Elektronen an eine andere chemische Verbindung (chemische Substanz) diese andere chemische Verbindung (chemische Substanz) reduziert.
- sulfo-NHS
- N-Hydroxysulfosuccinimid
- NHS
- N-Hydroxysuccinimid
- EDC
- (3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimid
- HEPES
- N-(2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]
- Ligand-Oligonukleotid
- Bezeichnung für Oligonukleotide, die von Ligat-Oligonukleotiden spezifisch gebunden werden.
- Ligat-Oligonukleotid
- Bezeichnung für Oligonukleotide, die von Ligand-Oligonukleotiden spezifisch gebunden werden.
- Linker
- Molekulare Verbindung zwischen zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül. In der Regel sind Linker als Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Hetero-Alkyl-, Hetero-Alkenyl- oder Hetero-Alkinylkette käuflich zu erwerben, wobei die Kette an zwei Stellen mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppen derivatisiert ist. Diese Gruppen bilden in einfachen/bekannten chemischen Reaktionen mit dem entsprechenden Reaktionspartner eine kovalente chemische Bindung aus. Die reaktiven Gruppen können auch photoaktivierbar sein, d.h. die reaktiven Gruppen werden erst durch Licht bestimmter oder beliebiger Wellenlänge aktiviert. Bevorzugte Linker sind solche der Kettenlänge 1 – 20, insbesondere der Kettenlänge 1 – 14, wobei die Kettenlänge hier die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen, also zwischen den zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül, darstellt.
- Spacer
- Äquivalent zu Linker.
- Mica
- Muskovit-Plättchen, Trägermaterial zum Aufbringen dünner Schichten.
- Au-S-(CH2)2-ss-oligo
- Gold-Film auf Mica mit kovalent aufgebrachter Monolayer aus derivatisiertem Einzelstrang-Oligonukleotid. Hierbei ist die endständige Phosphatgruppe des Oligonukleotids am 3' Ende mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert, wobei die S-S Bindung homolytisch gespalten und dadurch je eine Au-S-R Bindung bewirkt wird.
- Au-S-(CH2)2-ds-oligo
- Au-S-(CH2)2-ss-oligo-Sparer hybridisiert mit dem zu ss-oligo komplementären Oligonukleotid.
- E
- Elektrodenpotential, das an der Arbeitselektrode anliegt.
- i
- Stromdichte (Strom pro cm2 Elektrodenoberfläche)
- SECM
- Scanning Electrochemical Microscopy, Elektrochemische Rastermikroskopie.
- UME
- Ultramikroelektrode
- Cyclovoltammetrie
- Aufzeichnung einer Strom/Spannungskurve. Das Potential einer stationären Arbeitselektrode wird dabei zeitabhängig linear verändert, ausgehend von einem Potential, bei dem keine Elektrooxidation oder -reduktion stattfindet bis zu einem Potential, bei dem eine gelöste oder an die Elektrode adsorbierte Spezies oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom und nach Erreichen eines Maximums einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.
- (Chrono)Amperometrie
- Aufzeichnung einer Strom/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z.B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und der fließende Strom in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet.
- Chronocoulometrie
- Aufzeichnung einer Ladungs/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z.B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und die transferierte Ladung in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Die Chronocoulometrie kann folglich als Integral der Amperometrie verstanden werden.
- Differential-Puls-Voltammetrie
- Bei der Differential-Puls-Voltammetrie werden einer schrittweise anwachsenden Gleichspannungsrampe Rechteckpulse mit kleiner, konstanter Amplitude überlagert. Die Messungen des Stroms als Funktion der Spannung erfolgen dabei unmittelbar vor dem Puls und am Ende des Pulses. Aufgetragen werden die Differenzen der Strommesswertpaare gegen das Potential.
- Square-Wave-Voltammetrie
- Bei der Square-Wave-Voltammetrie wird einer schrittweise anwachsenden Gleichspannungsrampe eine rechteckförmige Wechselspannung mit kleiner, konstanter Amplitude und niedriger Frequenz überlagert. Zur Messung des Stroms als Funktion der Spannung werden jeweils mehrmals die Differenzen der Ströme bei maximaler und minimaler Rechteckspannung bestimmt.
- DNA
- deoxyribonucleic acid
- RNA
- ribonucleic acid
- PNA
- Peptide nucleic acid (synthetic DNA or RNA in which the sugar-phosphate moiety is replaced by an amino acid.) When the sugar-phosphate moiety is replaced by the -NH- (CH 2 ) 2 -N (COCH 2 -Base) -CH 2 CO- Unit hybridizes PNA with DNA.)
- A
- adenine
- G
- guanine
- C
- cytosine
- T
- thymine
- U
- uracil
- base
- A, G, T, C or U
- bp
- base pair
- nucleic acid
- At least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine). The term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, to a peptide backbone of the PNA or to analogous structures (eg, phosphoramid , Thio-phosphate or dithio-phosphate backbone). An essential feature of a nucleic acid according to the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA sequence-specific.
- nt
- nucleotide
- Nucleic acid oligomer
- Nucleic acid of unspecified base length (eg nucleic acid octamer: A nucleic acid with any backbone in which 8 pyrimidine or purine bases are covalently bound to each other.).
- ns oligomer
- Nucleic acid oligomer
- oligomer
- Equivalent to nucleic acid oligomer.
- oligonucleotide
- Equivalent to oligomer or nucleic acid oligomer, eg a DNA, PNA or RNA fragment of unspecified base length.
- oligo
- Abbreviation for oligonucleotide.
- mismatch
- To form the Watson-Crick structure of double-stranded oligonucleotides, the two single strands hybridize such that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in the case of RNA, T is replaced by uracil) , Any other base pairing does not form hydrogen bonds, distorts the structure, and is referred to as a "mismatch."
- ss
- Single strand (single strand)
- ds
- Double strand (double strand)
- oxidant
- Chemical compound (chemical substance) that oxidizes this other chemical compound (chemical substance) by absorbing electrons from another chemical compound (chemical substance).
- reducing agent
- A chemical compound that reduces this other chemical compound by releasing electrons to another chemical compound.
- sulfo-NHS
- N-hydroxy sulfosuccinimide
- NHS
- N-hydroxysuccinimide
- EDC
- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
- HEPES
- N- (2-hydroxyethyl] piperazine-N '- 2-ethanesulfonic acid []
- Ligand-oligonucleotide
- Name for oligonucleotides that are specifically bound by ligate oligonucleotides.
- Ligate oligonucleotide
- Name for oligonucleotides that are specifically bound by ligand oligonucleotides.
- left
- Molecular connection between two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule. As a rule, linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl chain, the chain being derivatized in two places with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partner. The reactive groups may also be photoactivatable, ie the reactive groups are activated only by light of specific or arbitrary wavelength. Preferred linkers are those of the chain length 1-20, in particular the chain length 1-14, wherein the chain length here is the shortest continuous connection between the structures to be connected, ie between the two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule , represents.
- spacer
- Equivalent to linker.
- Mica
- Muscovite platelets, carrier material for applying thin layers.
- Au-S- (CH 2 ) 2 -ss-oligo
- Gold film on mica with covalently applied monolayer of derivatized single-stranded oligonucleotide. Here, the terminal phosphate group of the oligonucleotide at the 3 'end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to the PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH esterified, the SS bond homolytically cleaved and thereby each an Au-SR bond is effected.
- Au-S- (CH 2 ) 2 -ds-oligo
- Au-S- (CH 2 ) 2 -ss-oligo saver hybridizes with the oligonucleotide complementary to ss-oligo.
- e
- Electrode potential applied to the working electrode.
- i
- Current density (current per cm 2 electrode surface)
- SECM
- Scanning Electrochemical Microscopy, Electrochemical Scanning Microscopy.
- UME
- Ultramicroelectrode
- Cyclic voltammetry
- Recording of a current / voltage curve. The potential of a stationary working electrode is thereby linearly changed over time, starting from a potential at which no electrooxidation or reduction takes place up to a potential at which a species dissolved or adsorbed to the electrode is oxidized or reduced (ie current flows). After passing through the oxidation or reduction process, which generates an initially rising current in the current / voltage curve and, after reaching a maximum, a gradually decreasing current, the direction of the potential feed is reversed. The response then records the behavior of the products of electrooxidation or reduction.
- (Chrono) amperometry
- Recording a current / time curve. Here, the potential of a stationary working electrode is set, for example, by a potential jump to a potential at which the electro-oxidation or reduction of a dissolved or adsorbed species takes place and the flowing current is recorded as a function of time.
- chronocoulometry
- Recording a charge / time curve. Here, the potential of a stationary working electrode is set, for example, by a potential jump to a potential at which the electrooxidation or reduction of a dissolved or adsorbed species takes place and the transferred charge is recorded as a function of time. The chronocoulometry can thus be understood as the integral of amperometry.
- Differential pulse voltammetry
- In differential pulse voltammetry, rectangular pulses of small, constant amplitude are superimposed on a stepwise increasing DC voltage ramp. The measurements of the current as a function of the voltage take place immediately before the pulse and at the end of the pulse. Plotted are the differences of the current value pairs against the potential.
- Square wave voltammetry
- In square wave voltammetry, a stepwise increasing DC voltage ramp is superposed with a rectangular, small amplitude, constant amplitude, low frequency AC voltage. To measure the current as a function of the voltage, the differences of the currents at maximum and minimum square-wave voltage are determined several times in each case.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen bereit, das die Schritte Bereitstellen einer modifizierten Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung von wenigstens einer Art von Ligat-Oligonukleotid besteht, Bereitstellen einer Probe mit Ligand-Oligonukleotiden, Inkontaktbringen einer Lösung mit der modifizierten Oberfläche, wobei die Lösung wenigstens eine Art von redoxaktiver Spezies enthält, Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche, Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies durch ein geeignetes elektrochemisches Verfahren mit Hilfe einer Messelektrode, deren Abstand von der modifizierten Oberfläche maximal 5 mal so groß ist wie der Radius ihrer elektrochemisch aktiven Oberfläche, und Vergleich der bei der Detektion erhaltenen Werfe mit Referenzwerten umfasst.The The present invention provides a method for detecting nucleic acid oligomer hybridization events ready to take the steps of providing a modified surface, taking the modification in the attachment of at least one type of ligate oligonucleotide providing a sample with ligand oligonucleotides, Contacting a solution with the modified surface, being the solution contains at least one type of redox-active species, contacting the sample with the modified surface, detection of the reduction and / or oxidation of the redox-active species by a suitable Electrochemical process using a measuring electrode whose Distance from the modified surface is at most 5 times as large as the radius of their electrochemically active surface, and comparison of at The detection includes received throw with reference values.
Die
elektrochemisch aktive Oberfläche
der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Messelektroden
ist in der Regel kreisförmig
ausgeprägt
(
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Umsatz einer redoxaktiven Spezies an einer Elektrode, also die Oxidation bzw. Reduktion der redoxaktiven Spezies, von dem Zustand der Elektrodenoberfläche abhängt. Die Bindung einer chemischen Substanz an die Elektrodenoberfläche bewirkt schon alleine durch die daraus folgende Belegung der Elektrodenoberfläche eine Modulation der Elektronentransferkinetik der redoxaktiven Substanz und damit eine Änderung des Stroms. Ist die Elektrodenoberfläche z.B. mit negativ geladenen Molekülen oder Molekülgruppen belegt, so ist es für z.B. negativ geladene redoxaktive Substanzen deutlich schwieriger zur Elektrodenoberfläche zu gelangen und dort oxidiert zu werden, als wenn eine ungeladene Elektrodenoberfläche vorliegt. Es kommt in diesem Fall zu einem dramatischen Rückgang der gemessenen Stromstärke. Ebenso kann es natürlich zu einer Erhöhung der Stromstärke kommen, wenn z.B. eine negativ geladene redoxaktive Substanz an eine Elektrode wandern soll, an die eine positiv geladene Substanz gebunden ist. In jedem Fall kommt es durch die Wechselwirkungen zwischen der an die Elektrodenoberfläche gebundenen Spezies und der redoxaktiven Substanz zu einer Modulation der Elektronentransferkinetik und damit zu einer Änderung des Stroms.The process according to the invention utilizes the fact that the conversion of a redox-active species onto an electrode, that is to say the oxidation or reduction of the redox-active species, depends on the condition of the electrode surface. The binding of a chemical substance to the electrode surface causes alone by the consequent occupancy of the electrode surface modulation of the electron transfer kinetics of the redox-active substance and thus a change in the current. If the electrode surface is occupied, for example, with negatively charged molecules or molecule groups, then it is negative for example loading redox-active substances much harder to get to the electrode surface and there to be oxidized, as if an uncharged electrode surface is present. In this case, there is a dramatic decrease in the measured current. Likewise, it can of course lead to an increase in the current, for example, if a negatively charged redox-active substance is to migrate to an electrode to which a positively charged substance is bound. In any case, the interaction between the species bound to the electrode surface and the redox-active substance results in a modulation of the electron transfer kinetics and thus in a change in the current.
Die
Detektionsmethode gemäß der vorliegenden
Erfindung basiert auf einer SECM-Messung. Bei der Annäherung der
Messelektrode an die modifizierte Oberfläche kommt es zu einer Störung des
hemisphärischen
Diffusionsfeldes der in der in der Lösung enthaltenen redoxaktiven
Spezies. Wird eine nicht leitfähige modifizierte
Oberfläche
verwendet, so bewirkt die Annäherung
der Messelektrode einen verminderten Stofftransport zur Messelektrode
und somit eine Abnahme des Diffusionsgrenzstroms. Ein solches negatives
Feedback ist in den
Der beschriebene Effekt kommt in dem Fall besonders deutlich zum Ausdruck, wenn es sich bei der redoxaktiven Spezies um eine Spezies handelt, die an der Messelektrode reversibel oxidierbar oder reduzierbar ist.Of the described effect is particularly evident in the case if the redox-active species is a species, which can be reversibly oxidized or reduced at the measuring electrode is.
Aus
der
Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird eine Messelektrode mit einem Radius
der elektrochemisch aktiven Oberfläche von 0,05 bis 250 μm, bevorzugt
von 0,5 bis 50 μm,
besonders bevorzugt von 5 bis 25 μm
verwendet. Typischerweise handelt es sich dabei um eine Mikroelektrode
mit einem Radius < 100 μm in einer
Isolationshülle,
welche einen mehrfachen Durchmesser der elektrochemisch aktiven
Oberfläche
der Messelektrode aufweist (
Aus der Größe der elektrochemisch aktiven Oberfläche der Messelektrode ergibt sich, dass gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen Messelektrode und modifizierter Oberfläche während der Messung maximal 1250 μm beträgt. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand maximal 500 μm, ganz besonders bevorzugt 100 μm und insbesondere 50 μm.Out the size of the electrochemical active surface the measuring electrode results that, according to a preferred embodiment the present invention, the distance between the measuring electrode and modified surface while the measurement maximum 1250 microns is. Particularly preferred is the distance max. 500 μm, most preferably 100 .mu.m and in particular 50 microns.
Die
Messelektrode wird mittels Verschiebeelemente wie z.B. Schrittmotor-getriebene
oder manuelle Mikrometerschrauben oder Piezostapel an die modifizierte
Oberfläche
angenähert,
so dass das Diffusionsprofil der Redoxspezies vor der Mikroelektrode
bis zur gegenüberliegenden
modifizierten Oberfläche
reicht (
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine modifizierte Oberfläche verwendet, an die wenigstens zwei verschiedene Arten von Ligat-Oligonukleotide angebunden sind. Es kann aber selbstverständlich eine sehr große Anzahl an Arten von Ligat-Oligonukleotiden an die Oberfläche gebunden sein, also z.B. 100, 1000 oder mehr als 100000 verschiedene Arten. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist jeweils überwiegend eine Art von Ligat-Oligonukleotiden in einem räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereich der modifizierten Oberfläche angebunden. Unter "räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereichen" werden Bereiche der Oberfläche verstanden, die ganz überwiegend durch Anbindung einer bestimmten Art von Ligat-Oligonukleotid modifiziert sind. Lediglich in Gebieten, in denen zwei solche im wesentlichen abgetrennte Bereiche aneinander grenzen, kann es zu einer räumlichen Vermischung von verschiedenen Arten von Ligat-Oligonukleotiden kommen. Ganz besonders bevorzugt ist es, dass jeweils ausschließlich eine Art von Ligat-Oligonukleotiden in einem räumlich begrenzten Bereich der modifizierten Oberfläche angebunden ist.According to a particularly preferred embodiment of the present invention, a modified surface is used, to which at least two different types of ligate oligonucleotides are attached. However, it is of course possible for a very large number of types of ligate oligonucleotides to be bound to the surface, for example 100, 1000 or more than 100 000 different species. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, each predominantly one type of ligate oligonucleotides is in a spatially substantially separated region of the modified surface tethered. By "spatially substantially separated regions" is meant areas of the surface which are predominantly modified by attachment of a particular type of ligate oligonucleotide. Only in areas where two such substantially separated regions adjoin one another can spatial mixing of different types of ligate oligonucleotides occur. It is very particularly preferred that in each case only one type of ligate oligonucleotide is bound in a spatially limited area of the modified surface.
Die Größe dieser räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereiche ist grundsätzlich beliebig. Aus technischen Gründen werden in der Regel bevorzugt bis zu 10 cm2 große räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereiche verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt sind räumlich im wesentlichen abgetrennte Bereiche einer Größe von 100 μm2 bis zu 1000000 μm2.The size of these spatially substantially separated areas is basically arbitrary. For technical reasons, preferably up to 10 cm 2 large, substantially separated areas are preferably used. In the context of the present invention, spatially substantially separated regions of a size of 100 μm 2 to 1 000 000 μm 2 are particularly preferred.
Sind die verschiedenen Arten von Ligat-Oligonukleotiden in räumlich begrenzten Bereichen der modifizierten Oberfläche angebunden, so kann bei der Detektion der Hybridisierungsereignisse mit Hilfe der Messelektrode die modifizierte Oberfläche abgerastert werden und so die Hybridisierungsereignisse selektiv für die verschiedenen Arten von Ligat-Oligonukleotiden in den verschiedenen räumlich begrenzten Bereichen detektiert werden. In diesem Zusammenhang werden Arrays von Test-Sites (räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereiche) bevorzugt, die durch Gebiete der Oberfläche voneinander abgetrennt sind, in denen keine Ligat-Oligonukleotide an die Oberfläche gebunden sind. Aufgrund des räumlichen Abstandes zwischen den einzelnen Test-Sites kann die Messelektrode problemlos exakt und eindeutig an eine bestimmte Art von Ligat-Oligonukleotid angenähert werden. Somit werden eindeutig zuordenbare Messresultate erhalten.are the different types of ligate oligonucleotides in spatially limited Tied to areas of modified surface, so can at the detection of the hybridization events using the measuring electrode the modified surface be scanned and so the hybridization events selectively for the different ones Types of Ligat oligonucleotides in the different spatially limited Areas are detected. In this context are arrays from test sites (spatially essentially separated regions) preferred by regions the surface are separated from each other, in which no ligate oligonucleotides to the surface are bound. Due to the spatial Distance between each test sites can be the measuring electrode easily be approximated accurately and clearly to a particular type of ligate oligonucleotide. Thus, uniquely assignable measurement results are obtained.
Ganz besonders bevorzugt ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Array von Mikroelektroden als modifizierte Oberfläche zu verwenden. In diesem Fall wird in dem Bereich einer Mikroelektrode jeweils eine Art von Ligat-Oligonukleotid an die Oberfläche angebunden. Aufgrund des räumlichen Abstandes zwischen den einzelnen Mikroelektroden kann die Messelektrode problemlos exakt und eindeutig an eine bestimmte Art von Ligat-Oligonukleotid angenähert werden.All it is particularly preferred in the context of the present invention to use an array of microelectrodes as a modified surface. In this case, in the area of a microelectrode, one becomes each Type of ligate oligonucleotide attached to the surface. Due to the spatial Distance between the individual microelectrodes can be the measuring electrode easily and accurately to a specific type of ligate oligonucleotide approximated become.
Durch die Ansteuerbarkeit der einzelnen Mikroelektroden lassen sich die erhaltenen Messresultate sehr leicht bestimmten Hybridisierungsereignissen zuordnen.By the controllability of the individual microelectrodes can be the obtained measurement results very easily certain hybridization events assign.
In der allgemeinsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die nach Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche detektierten Werfe des Stromflusses mit bereits bekannten Referenzwerten verglichen. Diese Referenzwerte können in unabhängigen Experimenten für jeweils einen bestimmten Satz an Parametern (Abstand der Messelektrode von der modifizierten Oberfläche, Konzentration der redoxaktiven Spezies in der Lösung, angelegtes Potential, Temperatur, Salzkonzentration, usw.) gemessen werden.In the most general embodiment The present invention, after contacting the Sample with the modified surface detected throw of the Current flow compared with already known reference values. These Reference values can in independent Experiments for each a certain set of parameters (distance of the measuring electrode from the modified surface, Concentration of the redox-active species in the solution, applied potential, Temperature, salt concentration, etc.).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Referenzwerte vor der Zugabe der Probe in einer separaten Messung bestimmt. In dieser Ausführungsform erfolgt also nach dem Inkontaktbringen der die redoxaktive Spezies enthaltenden Lösung mit der modifizierten Oberfläche eine Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies durch ein geeignetes elektrochemisches Verfahren mit Hilfe einer Messelektrode, deren Abstand von der modifizierten Oberfläche maximal 5 mal so groß ist wie der Radius ihrer elektrochemisch aktiven Oberfläche. Aufgrund dieser unter den exakt gleichen Bedingungen der eigentlichen Messung durchgeführten Referenzmessung werden noch genauere und zuverlässigere Werte detektiert.According to one preferred embodiment of the present invention are the reference values before addition the sample is determined in a separate measurement. In this embodiment So after contacting the redox-active species takes place containing solution with the modified surface a detection of the reduction and / or oxidation of the redox-active Species by a suitable electrochemical method with the help a measuring electrode whose distance from the modified surface maximum 5 times as big like the radius of their electrochemically active surface. by virtue of this under exactly the same conditions of actual measurement conducted Reference measurement even more accurate and reliable values are detected.
Gemäß den nachfolgend geschilderten, besonders bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die getrennte Durchführung einer Referenzmessung vermieden werden. Auf der modifizierten Oberfläche sind in diesen Fällen Referenz-Sites aufgebracht, denen nach Zugabe der Probe ein ganz bestimmter Assoziationsgrad zugeordnet werden kann. Das bei der Detektion erhaltene Signal ist dann für diesen bestimmten Grad an Assoziation charakteristisch und kann zur Normierung der Signale der Test-Sites herangezogen werden.According to the following described, particularly preferred embodiments of the present invention can be the separate implementation a reference measurement can be avoided. On the modified surface are in these cases Reference sites applied to which after addition of the sample a whole certain degree of association can be assigned. That at the Detection received signal is then on for that particular degree Association characteristic and can be used to normalize the signals of the test sites.
Die vorliegende Erfindung umfasst nämlich auch Verfahren, in denen eine modifizierte Oberfläche verwendet wird, die durch Anbindung von wenigstens zwei Arten von Ligat-Oligonukleotiden modifiziert wurde. Die verschiedenen Arten von Ligat-Oligonukleotiden sind in räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereichen an die Oberfläche gebunden. In dem im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugten Verfahren erfolgt vor dem Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche der Zusatz von einer Art von Ligand-Oligonukleotiden zu der Probe, wobei das Ligand-Oligonukleotid ein Bindungspartner mit hoher Assoziationskonstante zu einer bestimmten Art von Ligat-Oligonukleotiden ist, die in einem bestimmten Bereich (Test-Site T100) an die Oberfläche gebunden vorliegt. Das Ligand-Oligonukleotid wird dabei in einer Menge zu der Probe zugegeben, die größer ist als die Menge an Ligand-Oligonukleotiden, die notwendig ist, um die Ligat-Oligonukleotide der T100-Test-Sites vollständig zu assoziieren. Den letzten Schritt dieses Verfahrens bildet der Vergleich der bei der Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies erhaltenen Werte mit dem für den Bereich T100 erhaltenen Wert. Der für den Bereich T100 erhaltene Wert entspricht somit dem Wert bei vollständiger Assoziation (100%).Namely, the present invention also encompasses methods in which a modified surface modified by attachment of at least two types of ligate oligonucleotides is used. The different types of ligate oligonucleotides are bound to the surface in spatially substantially separated regions. In the method preferred in the context of the present invention, before the sample is brought into contact with the modified surface, the addition of one type of ligand oligonucleotide to the sample takes place, wherein the ligand oligonucleotide is a binding partner with a high association cons aant to a specific type of ligate oligonucleotides, which is bound to the surface in a certain area (test site T 100 ). The ligand oligonucleotide is then added in an amount to the sample, which is greater than the amount of ligand oligonucleotides, which is necessary in order to ligate oligonucleotides 100 test sites to completely associate the T. The last step of this process is the comparison of the values obtained in the detection of the reduction and / or oxidation of the redox-active species with the value obtained for the T 100 range. The value obtained for the region T 100 thus corresponds to the value at complete association (100%).
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine modifizierte Oberfläche verwendet, die durch Anbindung von wenigstens drei Arten von Ligat-Oligonukleotiden modifiziert wurde. Die verschiedenen Arten von Ligat-Oligonukleotiden sind in räumlich im wesentlichen abgetrennten Bereichen an die Oberfläche gebunden. Dabei ist wenigstens eine Art von Ligat-Oligonukleotiden in einem bestimmten Bereich (Test-Site T0) an die Oberfläche gebunden, von dem bekannt ist, dass in der Probe kein Bindungspartner mit hoher Assoziationskonstante enthalten ist, also das entsprechende komplementäre Oligonukleotid nicht in der Probe vorkommt. Auch in diesem besonders bevorzugten Verfahren erfolgt vor dem Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche der Zusatz von einem Ligand-Oligonukleotid zu der Probe, wobei das Ligand-Oligonukleotid ein Bindungspartner mit hoher Assoziationskonstante zu einer bestimmten Art von Ligat-Oligonukleotiden ist, die in einem bestimmten Bereich (Test-Site T100) an die Oberfläche gebunden vorliegt. Das Ligand-Oligonukleotid wird dabei in einer Menge zu der Probe zugegeben, die größer ist als die Menge an Ligand-Oligonukleotiden, die notwendig ist, um die Ligat-Oligonukleotide der T100-Test-Sites vollständig zu assoziieren. Den letzten Schritt dieses Verfahrens bildet der Vergleich der bei der Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies erhaltenen Werte mit dem für den Bereich T100 erhaltenen Wert und mit dem für den Bereich T0 erhaltenen Wert. Der für den Bereich T0 erhaltene Wert entspricht somit dem Wert bei fehlender Assoziation (0%).According to a particularly preferred embodiment, a modified surface is used which has been modified by attachment of at least three types of ligate oligonucleotides. The different types of ligate oligonucleotides are bound to the surface in spatially substantially separated regions. In this case, at least one type of ligate oligonucleotide is bound to the surface in a specific region (test site T 0 ), which is known to contain no binding partner with a high association constant in the sample, that is to say the corresponding complementary oligonucleotide is not present in the sample Sample occurs. In this particularly preferred method, before the sample is brought into contact with the modified surface, the addition of a ligand oligonucleotide to the sample takes place, wherein the ligand oligonucleotide is a binding partner with a high association constant to a specific type of ligate oligonucleotides certain area (test site T 100 ) is bound to the surface. The ligand oligonucleotide is then added in an amount to the sample, which is greater than the amount of ligand oligonucleotides, which is necessary in order to ligate oligonucleotides 100 test sites to completely associate the T. The last step of this process is the comparison of the values obtained in the detection of the reduction and / or oxidation of the redox-active species with the value obtained for the range T 100 and the value obtained for the range T 0 . The value obtained for the region T 0 thus corresponds to the value in the absence of association (0%).
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform der beiden oben geschilderten Verfahren, die ohne getrennte Referenz-Messung auskommen, erfolgt vor dem Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche der Zusatz von wenigstens einer weiteren Art von Ligand- Oligonukleotid zu der Probe, wobei bekannt ist, dass dieses Ligand-Oligonukleotid in der ursprünglichen Probe nicht enthalten ist. Diese weitere Art von Ligand-Oligonukleotid weist eine Assoziationskonstante >0 zu einer Art von Ligat-Oligonukleotiden auf, die in einem bestimmten Bereich (Test-Site Tn) an die Oberfläche gebunden vorliegt. Das Ligand-Oligonukleotid wird in einer solchen Menge zu der Probe gegeben, dass nach dem Inkontaktbringen der Probe mit der modifizierten Oberfläche n% der Ligat-Oligonukleotide des Test-Sites Tn in assoziierter Form vorliegen. Den letzten Schritt dieses Verfahrens bildet der Vergleich der bei der Detektion der Reduktion und/oder Oxidation der redoxaktiven Spezies erhaltenen Werte mit dem für den Bereich T100 erhaltenen Wert, mit dem für den Bereich T0 erhaltenen Wert und mit den für die Bereiche Tn erhaltenen Werte. Der für ein bestimmtes Test-Site Tn erhaltene Wert entspricht somit dem Wert bei Vorliegen von n% Ligat-Oligonukleotid/Ligand-Oligonukleotid-Assoziaten bezogen auf die Gesamtzahl an Ligat-Oligonukleotide der entsprechend Art.According to a very particularly preferred embodiment of the two methods described above, which manage without separate reference measurement, the addition of the sample to the modified surface is followed by the addition of at least one further type of ligand oligonucleotide to the sample, it being known that this ligand oligonucleotide is not included in the original sample. This further type of ligand oligonucleotide has an association constant> 0 to a type of ligate oligonucleotide which is bound to the surface in a certain range (test site T n ). The ligand oligonucleotide is added to the sample in an amount such that upon contacting the sample with the modified surface, n% of the ligate oligonucleotides of the test site T n are in associated form. The last step of this process is the comparison of the values obtained in the detection of the reduction and / or oxidation of the redox-active species with the value obtained for the region T 100 , with the value obtained for the region T 0 and with those for the ranges T n obtained values. The value obtained for a given test site T n thus corresponds to the value in the presence of n% ligate oligonucleotide / ligand oligonucleotide associates relative to the total number of ligate oligonucleotides corresponding to Art.
Die Menge an Ligand-Oligonukleotiden, die mit der modifizierten Oberfläche in Kontakt gebracht werden muss, um eine n%ige Assoziation am Test-Site Tn zu bewirken, kann vom Fachmann durch einfache Routineuntersuchungen bestimmt werden. Dazu wird z.B. nach Detektion der Werfe für T0 und T100 eine kalibrierte Messung durchgeführt, bei der die Signalintensität von (unterschiedlichen) Detektionslabel bestimmt wird, mit denen die Ligat-Oligonukleotide und die Ligand-Oligonukleotide ausgestattet sind. Das Verhältnis von Ligand-Oligonukleotid-Label-Signal zu Ligat-Oligonukleotid-Label-Signal entspricht n%.The amount of ligand oligonucleotides that must be contacted with the modified surface to effect n% association at the test site T n can be determined by one skilled in the art by simple routine examinations. For this purpose, for example, after detection of the throw for T 0 and T 100, a calibrated measurement is carried out in which the signal intensity of (different) detection labels is determined, with which the ligate oligonucleotides and the ligand oligonucleotides are equipped. The ratio of ligand oligonucleotide label signal to ligate oligonucleotide label signal corresponds to n%.
Wird eine genügende Anzahl an Referenz-Sites Tn auf der modifizierten Oberfläche aufgebracht, so kann eine Referenzkurve mit hoher Genauigkeit aufgenommen werden. Die Normierung der Messungen der eigentlichen Test-Sites mit Hilfe dieser Referenzkurve verbessert die Reproduzierbarkeit der Analytik mit Hilfe der Chip-Technologie deutlich.If a sufficient number of reference sites T n are applied to the modified surface, a reference curve can be recorded with high accuracy. The standardization of the measurements of the actual test sites with the aid of this reference curve significantly improves the reproducibility of the analysis with the aid of the chip technology.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass das Auffinden eines Ligand-Oligonukleotids, das nicht in der Probe enthalten ist, keinerlei Probleme bereitet, da auch die umfangreichsten Genome immer noch eine genügende Auswahl an nicht vorhandenen Sequenzen bieten. Für den Fall, dass sich die nicht vorhandene Sequenz von einer anwesenden Sequenz nur durch eine Base unterscheidet, muss der Hybridisierungsschntt unter stringenten Bedingungen durchgeführt werden. Bevorzugt werden aber Sequenzen verwendet, die sich deutlich, also in mehreren Basen, von den in der Probe anwesenden Sequenzen unterscheiden. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn für die Test-Sites und für die Referenz-Sites Oligonukleotide mit der gleichen oder zumindest einer ähnlichen Zahl an Basen verwendet werden.It It should be noted that finding a ligand oligonucleotide, that is not in the sample, does not cause any problems because even the most extensive genomes are still a sufficient choice to offer non-existent sequences. In the event that is not existing sequence of a present sequence only by a base differs, the Hybridisierungsschntt must be under stringent Conditions performed become. Preferably, however, sequences are used which are clearly that is, in several bases, of the sequences present in the sample differ. Particularly good results are achieved when for the test sites and for the reference sites oligonucleotides with the same or at least a similar one Number of bases to be used.
Wie oben bereits beschrieben, wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Tatsache ausgenutzt, dass der Umsatz einer redoxaktiven Spezies an einer Elektrode, also die Oxidation bzw. Reduktion der redoxaktiven Spezies, von dem Zustand der Elektrodenoberfläche abhängt. Ist die Elektrodenoberfläche teilweise oder vollständig mit negativ geladenen Molekülen oder Molekülgruppen belegt, so ist es für negativ geladene redoxaktive Substanzen deutlich schwieriger zur Elektrodenoberfläche zu gelangen und dort oxidiert zu werden, als wenn eine ungeladene Elektrodenoberfläche vorliegt. Dieser Effekt kommt umso deutlicher zum Tragen, je größer die von den an die Elektrodenoberfläche gebundenen Molekülen getragene Ladung und je größer die von der redoxaktiven Spezies getragene Ladung ist. Aus diesem Grund werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung redoxaktive Spezies, die eine hohe Ladung tragen, gegenüber Spezies mit geringer Ladung und diese wiederum gegenüber ungeladenen Verbindungen bevorzugt.As already described above, in the inventive method exploited the fact that the turnover of a redox-active species on an electrode, ie the oxidation or reduction of the redox-active Species, depending on the condition of the electrode surface. Is the electrode surface partially or Completely with negatively charged molecules or molecular groups occupied, so it is for negatively charged redox - active substances are much more difficult for electrode surface to get there and be oxidized there, as if an uncharged one electrode surface is present. This effect becomes more apparent the larger the from the to the electrode surface bound molecules carried cargo and the larger the is charge carried by the redox active species. For this reason In the context of the present invention, redox-active species, which carry a high charge, compared to species with low charge and these in turn opposite uncharged compounds are preferred.
Daneben soll noch erwähnt werden, dass die Belegung der Oberfläche mit Molekülen oder Molekülgruppen selbstverständlich in beliebiger Dichte erfolgen kann. Es ist offensichtlich, dass der oben beschriebene Effekt des erschwerten Zugangs der redoxaktiven Spezies an die Oberfläche umso stärker auftritt, je dichter die Oberfläche mit Molekülen oder Molekülgruppen belegt ist. Gleiches gilt für an die Oberfläche gebundene Ligat-Oligonukleotide. Eine Obergrenze der Dichte der Belegung ist in diesem Fall durch das zur Detektion von Hybridisierungsereignissen essentielle Erfordernis eines gewissen Raumangebots um die Ligat-Oligonukleotide herum gegeben, welches die Hybridisierung mit den Ligand-Oligonukleotiden erst möglich macht.Besides should be mentioned Be that covering the surface with molecules or molecular groups Of course can be done in any density. It is obvious that the above-described effect of the difficult access of the redox-active Species to the surface the stronger occurs, the denser the surface with molecules or molecular groups is occupied. The same applies to to the surface bound ligate oligonucleotides. An upper limit of the density of Occupancy in this case is through the detection of hybridization events essential requirement of a certain amount of space around the ligate oligonucleotides which hybridization with the ligand oligonucleotides only possible power.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im wesentlichen ungeladene Ligat-Oligonukleotide verwendet, was einen ganz entscheidenden Vorteil mit sich bringt: Sind an die Elektrodenoberfläche Ligat-Oligonukleotide gebunden, die pro Phosphat-Einheit eine negative Ladung tragen, so ergibt sich bei der Bindung des komplementären Ligand-Oligonukleotids an die Ligat-Oligonukleotide in erster Näherung eine Verdopplung der Anzahl der Ladungen pro Elektrodenoberfläche. Werden hingegen im wesentlichen ungeladene Ligat-Oligonukleotide an die Elektrodenoberfläche gebunden, so steigert sich bei anschließender Bindung eines komplementären Ligand-Oligonukleotids die Ladung pro Elektrodenoberfläche sozusagen um einen Faktor ∞. Diese dramatische Änderung der Ladungsdichte hat ebenso dramatische Auswirkungen auf den Umsatz einer negativ geladenen redoxaktiven Spezies an der Elektrodenoberfläche. Die detektierte Stromstärke nimmt deutlich ab und erlaubt so einen einfachen und eindeutigen Nachweis, ob an die oberflächengebundenen, im wesentlichen ungeladenen Ligat-Oligonukleotide komplementäre Ligand-Oligonukleotide gebunden sind oder nicht.According to one another, particularly preferred embodiment of the present invention Invention are substantially uncharged ligate oligonucleotides used, which brings a very decisive advantage: Are to the electrode surface Ligat oligonucleotides bound, which is a negative per phosphate unit Carrying charge, as results in the binding of the complementary ligand oligonucleotide to the ligate oligonucleotides in a first approximation, a doubling of Number of charges per electrode surface. Become essentially uncharged ligate oligonucleotides bound to the electrode surface, see above increases with subsequent Binding of a complementary Ligand oligonucleotide, the charge per electrode surface, so to speak by a factor ∞. This dramatic change The charge density also has a dramatic impact on sales a negatively charged redox-active species at the electrode surface. The detected current decreases significantly and thus allows a simple and clear Proof of whether surface-bound, substantially uncharged ligate oligonucleotides complementary ligand oligonucleotides are bound or not.
Unter einem geladenen Oligonukleotid wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Oligonukleotid verstanden, das eine Anzahl an Elementarladungen trägt, welche ungefähr der Anzahl an Nukleotiden entspricht, aus denen sich das Oligonukleotid zusammensetzt. Bekanntermaßen sind die einzelnen Nukleotide über Phosphatgruppen miteinander verbunden. Da diese Phosphatgruppen in der Regel einfach negativ geladen sind, ergibt sich für das gesamte Oligonukleotid eine Gesamtladung, die im wesentlichen (nämlich bis auf am Ende der Nukleotidkette fehlende Phosphatgruppen) der Anzahl an Nukleotiden entspricht.Under a charged oligonucleotide is within the scope of the present invention an oligonucleotide that has a number of elementary charges wearing, which about the number of nucleotides that make up the oligonucleotide composed. As is known, are the individual nucleotides over Phosphate groups linked together. Because these phosphate groups usually simply negatively charged, results for the entire Oligonucleotide is a total charge that is essentially (namely to on the end of the nucleotide chain missing phosphate groups) of the number corresponds to nucleotides.
Unter dem Begriff "im wesentlichen ungeladen" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Anzahl an einfach negativen Ladungen (Elementarladungen) des Ligat-Oligonukleotids verstanden, die maximal 50% der Anzahl der Nukleotide des Ligat-Oligonukleotids beträgt. Bevorzugt beträgt die Anzahl an Elementarladungen des Ligat-Oligonukleotids maximal 40% der Anzahl der Nukleotide des Ligat-Oligonukleotids, besonders bevorzugt maximal 30%, insbesondere maximal 20% und ganz besonders bevorzugt maximal 10% der Anzahl der Nukleotide des Ligat-Oligonukleotids. Die besten Resultate werden mit vollständig ungeladenen Ligat-Oligonukleotiden erzielt. Die ungeladenen Oligonukleotide gemäß den nachfolgenden Strukturformeln liefern besonders gute Resultate und werden daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt.Under the term "im essentially uncharged " in the context of the present invention, a number of simply negative Understood charges (elementary charges) of the ligate oligonucleotide, the maximum of 50% of the number of nucleotides of the ligate oligonucleotide is. Preferred is the number of elementary charges of the ligate oligonucleotide maximum 40% of the number of nucleotides of the ligate oligonucleotide, especially preferably not more than 30%, in particular not more than 20% and especially preferably at most 10% of the number of nucleotides of the ligate oligonucleotide. The best results are obtained with fully uncharged ligate oligonucleotides achieved. The uncharged oligonucleotides according to the following structural formulas deliver particularly good results and are therefore part of the particularly preferred according to the invention.
Das dargestellte Methylphosphonat-Oligonukleotid und das dargestellte Methylphosphat-Oligonukleotid stehen exemplarisch für Klassen von Verbindungen, bei denen die Methyl-Gruppe durch einen beliebigen ungeladenen Rest ausgetauscht ist, insbesondere gegen Alkyl-Reste wie z.B. Ethyl-Reste. Außerdem kann z.B. bei den oben dargestellten Phosphoamidaten die NHR-Gruppe z.B. durch SR ersetzt werden.The shown methylphosphonate oligonucleotide and the illustrated Methyl phosphate oligonucleotide are exemplary for Classes of compounds in which the methyl group is replaced by a any uncharged rest is exchanged, especially against Alkyl radicals such as e.g. Ethyl radicals. In addition, e.g. at the top phosphoamidates represented the NHR group e.g. be replaced by SR.
Grundsätzlich ist es auch möglich die gesamte Phosphatgruppe zu ersetzen. Die einzelnen Sauerstoff-Atome können durch S-Atome (eine bis drei Substitutionen), P durch N, Odurch NH usw. ersetzt werden. Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl solcher Verbindungen bekannt.In principle, it is also possible to replace the entire phosphate group. The individual oxygen atoms can be replaced by S atoms (one to three substitutions), P by N, O by NH, etc. From the prior art, a variety of such compounds is known.
Als Extremfall kann der vollständige Austausch des Zuckers und der Phosphat-Gruppe angesehen werden, wie es z.B. bei den oben dargestellten Peptid-Oligonukleotiden der Fall ist.When Extreme case can be the complete one Exchange of sugar and the phosphate group are considered as it is e.g. in the case of the peptide oligonucleotides shown above Case is.
Im wesentlichen ungeladene Ligat-Oligonukleotide können durch Verwendung der oben gezeigten ungeladenen Backbones zusammen mit "normalen" geladenen DNA-Backbones erhalten werden. Je nach Anteil von geladenen und ungeladenen Abschnitten ergeben sich "im wesentlichen ungeladene" Ligat-Oligonukleotide, die eine Anzahl an Elementarladungen tragen, die zwischen 0 und maximal 50% der Anzahl der Nukleotide des Ligat-Oligonukleotids beträgt. Selbstverständlich können auch Mischformen der oben genannten, verschiedenen ungeladenen Ligat-Oligonukleotide verwendet werden. Das Backbone besteht in diesem Fall aus beliebigen Mischformen von modifizierten oder unmodifizierten Nukleotiden, die lediglich der Bedingung genügen müssen "im wesentlichen ungeladen" zu sein.in the Substantially uncharged ligate oligonucleotides can be prepared by using the above uncharged backbones shown with "normal" loaded DNA backbones. Depending on the proportion of charged and uncharged sections result in essence uncharged "ligate oligonucleotides, which carry a number of elementary charges between 0 and maximum 50% of the number of nucleotides of the ligate oligonucleotide is. Of course can also mixed forms of the above, various uncharged ligate oligonucleotides be used. The backbone consists in this case of any Mixed forms of modified or unmodified nucleotides, which only satisfy the condition need to be "essentially uncharged".
Daneben betrifft die vorliegende Erfindung auch einen Kit zur Durchführung eines Verfahrens zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen. Der Kit umfasst eine modifizierte Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung von wenigstens einer Art von Ligat-Oligonukleotiden besteht und eine effektive Menge einer redoxaktiven Spezies.Besides The present invention also relates to a kit for carrying out a Method for detecting nucleic acid oligomer hybridization events. The kit includes a modified surface, the modification in the attachment of at least one type of ligate oligonucleotide and an effective amount of a redox active species.
Die OberflächeThe surface
Mit dem Begriff "Oberfläche" wird jedes Trägermaterial bezeichnet, das geeignet ist direkt oder nach entsprechender chemischer Modifizierung Ligat-Oligonukleotide kovalent oder über andere spezifische Wechselwirkungen zu binden. Der feste Träger kann aus leitfähigem oder nicht leitfähigem Material bestehen.With The term "surface" is any carrier material designated, which is suitable directly or after appropriate chemical Modification ligate oligonucleotides covalently or via others to bind specific interactions. The solid support can made of conductive or non-conductive Material exist.
Unter dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird jeder Träger mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche beliebiger Dicke verstanden, insbesondere Oberflächen aus Metallen wie insbesonder Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium und Mangan. Daneben können auch beliebige dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen beliebiger Dicke verwendet werden. Sämtliche Halbleiter können als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden. Als nicht einschränkend gemeinte Beispiele seien an dieser Stelle Kohlenstoff, Silizium, Germanium, α-Zinn, Cu(I)- und Ag(I)-Halogenide beliebiger Kristallstruktur genannt. Geeignet sind ebenfalls sämtliche binären Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 14 und 16, den Elementen der Gruppen 13 und 15, sowie den Elementen der Gruppen 15 und 16. Daneben können ternäre Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 11, 13 und 16 oder den Elementen der Gruppen 12, 13 und 16 verwendet werden. Die Bezeichnungen der Gruppen des Periodensystems der Elemente beziehen sich auf die IUPAC-Empfehlung von 1985.Under the term "conductive surface" is used with each carrier an electrically conductive Surface of any Thickness understood, especially surfaces of metals such as in particular Platinum, Palladium, Gold, Cadmium, Mercury, Nickel, Zinc, Silver, Copper, iron, lead, aluminum and manganese. In addition, can also any doped or non-doped semiconductor surfaces of any desired Thickness can be used. All semiconductors can find use as pure substances or as mixtures. As not restrictive Examples given here are carbon, silicon, Germanium, α-tin, Called Cu (I) and Ag (I) halides of any crystal structure. Also suitable are all binary Compounds of any composition and structure from the elements of the groups 14 and 16, the elements of the groups 13 and 15, as well as the elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds any composition and any structure of the elements the groups 11, 13 and 16 or the elements of the groups 12, 13 and 16 are used. The names of the groups of the periodic table of elements refer to the 1985 IUPAC Recommendation.
Als Materialien der nichtleitenden Oberflächen werden Glas, modifiziertes Glas und Polymere bevorzugt. Die Modifizierung kann z.B. durch Silanisierung erfolgen und führt in allen Fällen zu funktionellen Gruppen, die geeignet sind, in Kopplungsreaktionen entsprechend funktionalisierte Ligat-Oligonukleotide zu binden. Diese Modifizierung schließt Schichtaufbauten auf der Glasoberfläche unter Verwendung von Polymeren wie z.B. Dextranpolymeren, die eine Variation der Schichtdicke und Oberflächenbeschaffenheit erlauben, mit ein. Weitere Derivatisierungsmöglichkeiten des Glases zur letztendlichen Anbindung der Ligat-Oligonukleotide bestehen z.B. im Aufbringen einer dünnen (ca. 10 – 200 nm) Metallisierungsschicht, insbesondere einer Gold-Metallisierungsschicht, die zusätzlich mit (Thiol-funktionalisierten) Polymeren, insbesondere Dextranen, belegt sein kann. Daneben kann das Glas nach der Silanisierung auch mit Biotin funktionalisiert werden (z.B. aminofunktionalisierte Glasoberfläche nach der Silanisierung und Kopplung der Carbonsäure Biotin über EDC und NHS bzw. über einen Biotinaktivester wie Biotin-N-succinimidylester) oder alternativ mit an Dextran-Lysin oder Dextran immobilisierten Biotin überzogen werden. Die so erzeugten biotinylierten Glasoberflächen werden anschließend mit Avidin oder Streptavidin behandelt und können dann zur Anbindung von biotinylierten Ligat-Oligonukleotiden verwendet werden.When Materials of non-conductive surfaces become glass, modified Glass and polymers preferred. The modification may e.g. by silanization done and leads in all cases to functional groups that are suitable in coupling reactions to bind appropriately functionalized ligate oligonucleotides. This modification concludes Layer structures on the glass surface using polymers such as e.g. Dextran polymers showing a variation of layer thickness and surface finish allow, with. Further derivatization possibilities of the glass for ultimate attachment of the ligate oligonucleotides consists e.g. in applying a thin (about 10 - 200 nm) metallization layer, in particular a gold metallization layer, the additional with (thiol-functionalized) polymers, in particular dextrans can be. In addition, the glass can also be used after silanization Biotin functionalized (e.g., amino-functionalized glass surface) the silanization and coupling of the carboxylic acid biotin via EDC and NHS or via a Biotin active esters such as biotin-N-succinimidyl ester) or alternatively immobilized on dextran lysine or dextran Biotin coated become. The biotinylated glass surfaces thus produced are subsequently treated with avidin or streptavidin and can then bind to biotinylated ligate oligonucleotides be used.
Bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Array von Mikroelektroden handelt es sich um handelsübliche Bauelemente. Die Mikroelektroden selbst bestehen aus einem leitfähigen Material, während sich zwischen den einzelnen Mikroelektroden ein nicht leitfähiges Material befindet, durch das die einzelnen Mikroelektroden sowohl räumlich als elektrisch voneinander getrennt werden. Die Mikroelektroden können aktiv oder passiv angesteuert werden. Im Falle der aktiven Ansteuerung kommt insbesondere die Verwendung von CMOS-Strukturen in Frage.at the array of microelectrodes used in the present invention are commercially available Components. The microelectrodes themselves are made of a conductive material while between the individual microelectrodes a non-conductive material is located, through which the individual microelectrodes both spatially as be electrically separated from each other. The microelectrodes can be active or passively controlled. In case of active control In particular, the use of CMOS structures in question.
Bindung der Ligat-Oligonukleotide an die OberflächeBonding the Ligate oligonucleotides to the surface
Verfahren zur Immobilisierung von Nukleinsäure-Oligomeren an einer Oberfläche sind dem Fachmann bekannt. Die Ligat-Oligonukleotide können z.B. kovalent über Hydroxyl-, Epoxid-, Amino- oder Carboxygruppen des Trägermaterials mit natürlicherweise am Ligat-Oligonukleotid vorhandenen oder durch Derivatisierung am Ligat-Oligonukleotid angebrachten Thiol-, Hydroxy-, Amino- oder Carboxylgruppen an die Oberfläche gebunden werden. Das Ligat-Oligonukleotid kann direkt oder über einen Linker/Spacer an die Oberflächenatome oder -moleküle einer Oberfläche gebunden werden. Daneben kann das Ligat-Oligonukleotid durch die bei Immunoassays üblichen Methoden verankert werden wie z.B. durch Verwendung von biotinylierten Ligat-Oligonukleotiden zur nicht-kovalenten Immobilisierung an Avidin oder Streptavidin-modifizierten Oberflächen. Die chemische Modifikation der Ligat-Nukleinsäure-Oligomere mit einer Oberflächen-Ankergruppe kann bereits im Verlauf der automatisierten Festphasensynthese oder aber in gesonderten Reaktionsschritten eingeführt werden. Dabei wird das Nukleinsäure-Oligomer direkt oder über einen Linker/Spacer mit den Oberflächenatomen oder -molekülen einer Oberfläche der oben beschriebenen Art verknüpft. Diese Bindung kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden (vgl. z.B. WO 00/42217).method for the immobilization of nucleic acid oligomers on a surface are known in the art. The ligate oligonucleotides may be e.g. covalently over Hydroxyl, epoxide, amino or Carboxy groups of the carrier material with naturally on the ligate oligonucleotide or by derivatization on Ligat oligonucleotide attached thiol, hydroxy, amino or Carboxyl groups to the surface be bound. The ligate oligonucleotide can be directly or via a Linker / spacer to the surface atoms or molecules a surface be bound. In addition, the ligate oligonucleotide by the usual in immunoassays Methods are anchored such. by using biotinylated Ligate oligonucleotides for non-covalent immobilization on avidin or streptavidin-modified surfaces. The chemical modification the ligate nucleic acid oligomers with a surface anchor group already in the course of automated solid phase synthesis or but introduced in separate reaction steps. This is the Nucleic acid oligomer directly or via a linker / spacer with the surface atoms or molecules of a surface linked to the type described above. This binding can be done in several ways (See, for example, WO 00/42217).
Ligand-OligonukleotideLigand oligonucleotides
Als Ligand-Oligonukleotide werden Nukleinsäure-Oligomere bezeichnet, die spezifisch mit den an einer Oberfläche immobilisierten Ligat-Oligonukleotiden unter Ausbildung eines Komplexes wechselwirken können. Eine solche Wechselwirkung unter Bildung eines Komplexes setzt die Anwesenheit eines zu einem Ligand-Oligonukleotid komplementären oder nahezu komplementären Ligat-Oligonukleotids voraus. Als Nukleinsäure-Oligomer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Nukleotiden oder aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Pyrimidin- (z.B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z.B. Adenin oder Guanin), bevorzugt ein DNA-, RNA- oder PNA-Fragment, verwendet. Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z.B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Rückgrat-Strukturen, wie z.B. ein Thio-Phosphat-, ein Dithio-Phosphat-, ein Phosphoramid-, ein Alkyl-Phophonat-, ein Alkyl-Phosphat- oder ein Phosphoamidit-Rückgrat. Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die sequenzspezifische Bindung natürlich vorkommender DNA, RNA oder deren Transkriptions- oder Amplifikationsprodukte.When Ligand oligonucleotides are called nucleic acid oligomers which specifically with the immobilized on a surface ligate oligonucleotides can interact to form a complex. Such an interaction forming a complex, the presence of one sets to one Ligand oligonucleotide complementary or nearly complementary Ligat oligonucleotide ahead. As a nucleic acid oligomer is under of the present invention, a compound of at least two covalently linked Nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (e.g., cytosine, thymine, or uracil) or purine bases (e.g., adenine or guanine) a DNA, RNA or PNA fragment. The term nucleic acid refers referring to any "backbone" of the covalently bound Pyrimidine or Purine bases, e.g. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone the PNA or analogous backbone structures, such as. a thio-phosphate, a dithio-phosphate, a phosphoramide, an alkyl phosphonate, an alkyl phosphate or a phosphoamidite backbone. Essential feature of a nucleic acid in the sense of the present invention Invention is the sequence-specific binding of naturally occurring DNA, RNA or their transcription or amplification products.
Redoxaktive Speziesredox-active species
Als redoxaktive Spezies können Übergangsmetall-Komplexe verwendet werden, die vorzugsweise eine negative Gesamtladung aufweisen. Daneben ist aber auch die Verwendung von neutralen Übergangsmetallkomplexen mit negativ geladenen Liganden möglich. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Übergangsmetallkomplexe des Eisens, Cobalts, Nickels, Kupfers, Rutheniums, und Osmiums mit negativ geladenen Liganden bevorzugt. Als Liganden können beispielsweise cyano- (CN-), thiocyanato-(SCN-), hydroxo-(OH-), halogenido-(Fl-, Cl-, Br, I-), oxo- (O2-), thio- (S2-) Gruppen und ähnliche, aber auch sterisch aufwändigere, mit negativen Gruppen wie z.B. -COOH, -OS(OH)3 oder -OPO(OH)2 modifizierte Liganden wie pyridyl- (py), bipyridyl- (bipy), cyclopentadienyl-(cp) Derivate und ähnliche verwendet werden. Die zuletzt genannten, mit negativen Gruppen modifizierten Liganden werden bevorzugt in Lösungen eingesetzt, deren pH-Wert oberhalb des pKs-Wertes der jeweiligen Verbindung liegt, weil dadurch sichergestellt ist, dass der jeweilige Übergangsmetallkomplex in der Lösung negativ geladen vorliegt.As the redox-active species transition metal complexes can be used which preferably have a negative total charge. In addition, however, the use of neutral transition metal complexes with negatively charged ligands is possible. In the present invention, transition metal complexes of iron, cobalt, nickel, copper, ruthenium, and osmium with negatively charged ligands are preferred. , Oxo (O 2-), thio as ligands can, for example, cyano (CN-), thiocyanato (SCN-), hydroxo (OH), halogenido- (Fl -, Cl - - I, Br,) (S 2- ) groups and similar, but also sterically more complex, with negative groups such as -COOH, -OS (OH) 3 or -OPO (OH) 2 modified ligands such as pyridyl (py), bipyridyl (bipy), cyclopentadienyl (cp) derivatives and the like. The last-mentioned ligands modified with negative groups are preferably used in solutions whose pH is above the pKa value of the particular compound, because this ensures that the particular transition metal complex in the solution is negatively charged.
Selbstverständlich können sämtliche, oben genannten Liganden in beliebigen Mischformen auftreten, es kann also ein Zentralatom eines Übergangsmetallkomplexes gleichzeitig unterschiedliche Liganden tragen. Ein willkürlich herausgegriffenes Beispiel eines solchen Komplexes ist die Verbindung Ammonium-tetranitro-diammin-kobaltat(III) NH4[Co(NO2)4(NH3)2].Of course, all of the abovementioned ligands can occur in any desired mixed forms, ie a central atom of a transition metal complex can simultaneously carry different ligands. An arbitrarily selected example of such a complex is the compound ammonium tetranitro-diammine-cobaltate (III) NH 4 [Co (NO 2 ) 4 (NH 3 ) 2 ].
Daneben können als redoxaktive Spezies auch Chinone wie z.B. Pyrrollochinolinochinon, Ubichinon, Anthrachinon, Naphthochinon oder Menachinon sowie deren mit negativen Gruppen wie z.B. -COOH, -OS(OH)3 oder -OPO(OH)2 modifizierten Derivate verwendet werden.In addition, quinones such as pyrroloquinolinoquinone, ubiquinone, anthraquinone, naphthoquinone or menaquinone and their derivatives modified with negative groups such as -COOH, -OS (OH) 3 or -OPO (OH) 2 can also be used as redox-active species.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Übergangsmetallkomplex Eisenhexacyanoferrat besonders bevorzugt.in the Within the scope of the present invention, the transition metal complex is iron hexacyanoferrate particularly preferred.
Elektrochemische Methodenelectrochemical methods
Als Detektionsmethode eigenen sich elektrochemische Methoden wie die Cyclovoltammetrie, Chronoamperometrie, Chronocoulometrie, Differential-Puls-Voltammetrie, Square-Wave-Voltammetrie oder Amperometrie bei konstantem Potential.When Detection method own electrochemical methods such as Cyclic voltammetry, chronoamperometry, chronocoulometry, differential pulse voltammetry, Square wave voltammetry or amperometry at constant potential.
Bei der Cyclovoltammetrie wird eine Strom/Spannungskurve aufgezeichnet. Das Potential einer stationären Arbeitselektrode wird dabei zeitabhängig linear verändert, ausgehend von einem Potential, bei dem keine Elektrooxidation oder -reduktion stattfindet bis zu einem Potential, bei dem eine gelöste oder an die Elektrode adsorbierte Spezies oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom und nach Erreichen eines Maximums einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.at The cyclic voltammetry is a current / voltage curve recorded. The potential of a stationary Working electrode is thereby time-linearly changed, starting from a potential where no electro-oxidation or reduction takes place to a potential where a dissolved or oxidized or reduced to the electrode adsorbed species (ie current flows). After undergoing the oxidation or reduction process, the the current / voltage curve an initially rising current and generates a gradually decreasing current after reaching a maximum, the direction of the potential feed is reversed. In the return is then the behavior of the products of electrooxidation or reduction recorded.
Bei der Chronocoulometrie erfolgt die Aufzeichnung einer Ladungs/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z.B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und die transferierte Ladung in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Die Chronocoulometrie kann folglich als Integral der Amperometrie verstanden werden. Die Methode der Chronocoulometrie ist z.B. in Steel, A.B., Herne, T.M. und Tarlov M.J.: Electrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Analytical Chemistry, 1998, Vol. 70, 4670 – 4677 und darin zitierten Literaturstellen beschrieben.at Chronocoulometry is the recording of a charge / time curve. Here, the potential of a stationary working electrode, e.g. by set a potential jump to a potential at which the electro-oxidation or -reduction of a solved one or adsorbed species takes place and the charge transferred dependent on recorded by the time. The chronocoulometry can therefore be understood as the integral of amperometry. The method of Chronocoulometry is e.g. in Steel, A.B., Herne, T.M. and Tarlov M.J .: Electrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Analytical Chemistry, 1998, Vol. 70, 4670-4677 and references cited therein.
Bei der Differential-Puls-Voltammetrie werden einer schrittweise anwachsenden Gleichspannungsrampe Rechteckpulse mit kleiner, konstanter Amplitude überlagert. Die Messungen des Stroms als Funktion der Spannung erfolgen dabei unmittelbar vor dem Puls und am Ende des Pulses. Aufgetragen werden die Differenzen der Strommesswertpaare gegen das Potential.at The differential pulse voltammetry is gradually increasing DC voltage ramp Rectangular pulses with small, constant amplitude superimposed. The measurements of the current as a function of the voltage take place immediately before the pulse and at the end of the pulse. Be applied the differences of the current measuring value pairs against the potential.
Bei der Square-Wave-Voltammetrie wird einer schrittweise anwachsenden Gleichspannungsrampe eine rechteckförmige Wechselspannung mit kleiner, konstanter Amplitude und niedriger Frequenz überlagert. Zur Messung des Stroms als Funktion der Spannung werden jeweils mehrmals die Differenzen der Ströme bei maximaler und minimaler Rechteckspannung bestimmt.at The square wave voltammetry is gradually increasing DC voltage ramp a rectangular AC voltage with small, superimposed on constant amplitude and low frequency. To measure the Current as a function of voltage are each several times the differences the streams determined at maximum and minimum square-wave voltage.
Bei (chrono)amperometrischen Messungen erfolgt die Aufzeichnung einer Strom/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z.B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und der fließende Strom in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet. Amperometrische Verfahren sind in der WO 00142217 ausführlich dargestellt.at (chrono) amperometric measurements are made by recording a Current / time curve. Here, the potential of a stationary working electrode e.g. by a potential jump to a potential, at the electrooxidation or reduction of a dissolved or Adsorbed species takes place and the flowing stream in dependence recorded by the time. Amperometric methods are in the WO 00142217 in detail shown.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigenThe Invention is intended below with reference to embodiments in connection closer with the drawings explained become. Show it
Die
Handelt
es sich um eine nicht leitfähige
(inaktive) Oberfläche
(
Liegt
dagegen eine leitfähige
(aktive) Oberfläche
vor (
Die
Die
Es wird eine weitere Verringerung des Messstroms festgestellt.It a further reduction of the measuring current is detected.
In
der
Die
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to execute the invention
Zur Durchführung der SECM-Messungen wurden verschiedene modifizierte Ligat-Nukleinsäure-Oligomere unterschiedlicher Sequenz mit den oben beschriebenen Immobilisierungstechniken an einen Träger gebunden. Mit der Anordnung der Ligat-Nukleinsäure-Oligomere bekannter Sequenz an definierten Positionen der Oberfläche, einem DNA-Array, wird das Hybridisierungsereignis eines beliebigen Ligand-Nukleinsäure-Oligomers oder einer (fragmentierten) Ligand-DNA detektiert, um z.B. Mutationen im Ligand-Oligonukleotid aufzuspüren und sequenzspezifisch nachzuweisen. Dazu werden auf einer Oberfläche die Oberflächenatome oder -moleküle eines definierten Bereichs (einer Test-Site) mit DNA-/RNA-/PNA-Nukleinsäure-Oligomeren bekannter, aber beliebiger Sequenz, wie oben beschrieben, verknüpft. Als Ligat-Nukleinsäure-Oligomere und/oder Ligand-Nukleinsäure-Oligomere werden Nukleinsäure-Oligomere (z.B. DNA-, RNA- oder PNA-Fragmente) der Basenlänge 3 bis 70, bevorzugt der Länge 8 bis 50, besonders bevorzugt der Länge 10 bis 30 verwendet.to execution In SECM measurements, different modified ligate nucleic acid oligomers were different Sequence with the immobilization techniques described above a carrier bound. With the arrangement of the ligate nucleic acid oligomers of known sequence at defined positions of the surface, a DNA array the hybridization event of any ligand nucleic acid oligomer or a (fragmented) ligand DNA, e.g. mutations in the ligand oligonucleotide and sequence specific evidence. These are on a surface the Surface atoms or molecules a defined area (a test site) with DNA / RNA / PNA nucleic acid oligomers known, but any sequence, as described above, linked. When Ligate nucleic acid oligomers and / or Ligand nucleic acid oligomers Nucleic acid oligomers (e.g., DNA, RNA or PNA fragments) of base length 3 to 70, preferably Length 8 used to 50, particularly preferably the length 10 to 30.
Wird die so bereitgestellte Oberfläche mit immobilisierten Ligat-Oligonukleotiden mit einer (möglichst konzentrierten) Untersuchungslösung mit Ligand-Oligonukleotid(en) in Kontakt gebracht, so kommt es nur in dem Fall zur Hybridisierung, in dem die Lösung Ligand-Nukleinsäure-Oligomer-Stränge enthält, die zu den an die Oberfläche gebundenen Ligat-Nukleinsäure-Oligomeren komplementär oder zumindest in weiten Bereichen komplementär sind.Becomes the surface thus provided with immobilized ligate oligonucleotides with one (as concentrated as possible) Test solution contacted with ligand oligonucleotide (s), it just happens in the case of hybridization, in which the solution contains ligand-nucleic acid oligomer strands, the to the surface bound ligate nucleic acid oligomers complementary or at least in a wide range are complementary.
Nach der Hybridisierung zwischen Ligat-Oligonukleotid und Ligand-Oligonukleotid wird in einer SECM-Messung (z.B. einer amperometrischen Messung) die Anzahl an Hybridisierungsereignissen in den verschiedenen räumlichen Bereichen des DNA-Chips bestimmt. Durch Vergleich der dabei erhaltenen Werte mit den bekannten Referenzwerten kann der Grad der Assoziation für die einzelnen Test-Sites bestimmt werden.To hybridization between ligate oligonucleotide and ligand oligonucleotide is measured in a SECM measurement (e.g., an amperometric measurement) the number of hybridization events in the different spatial Determined areas of the DNA chip. By comparing the obtained Values with the known reference values can be the degree of association for the individual test sites.
Beispiel 1: Darstellung von amino- und thiol-modifizierten Oligonukleotiden zur Verankerung auf Gold als Ligat-OligonukleotideExample 1: Representation of amino- and thiol-modified oligonucleotides for anchoring on gold as ligate oligonucleotides
Die Synthese der Oligonukleotide erfolgt in einem automatischen Oligonukleotid-Synthesizer (Expedite 8909; ABI 384 DNA/RNA-Synthesizer) gemäß der vom Hersteller empfohlenen Syntheseprotokolle für eine 1.0 μmol Synthese. Modifikationen an der 5'-Position der Oligonukleotide erfolgen mit einem auf 5 Minuten verlängerten Kopplungsschritt. Der Amino-Modifier C2 dT (Glen Research 10-1037) wird in die Sequenzen mit dem jeweiligen Standardprotokoll eingebaut. Die Darstellung von 3'-thiolmodifizierten Ligat-Oligonukleotiden (bzw. HO-(CH2)2-SS-(CH2)2OPO3-Oligonukleotiden) erfolgt an 1-O-Dimethoxytrityl-propyl-disulfid-CPG-Träger (Glen Research 20-2933) analog zu Standardprotokollen, wobei die Oxidationsschritte mit einer 0.02 mol/l Iodlösung durchgeführt werden, um eine oxidative Spaltung der Disulfidbrücke zu vermeiden. Die Kopplungseffizienzen werden während der Synthese online über die DMT-Kationen-Konzentration photometrisch bzw. konduktometrisch bestimmt. Die Oligonukleotide werden mit konzentriertem Ammoniak (30%) bei 37 °C über einen Zeitraum von 16 h entschützt. Die Reinigung der Oligonukleotide erfolgt mittels RP-HPL Chromatographie nach Standardprotokollen (Laufmittel: 0.1 mol/l Triethylammoniumacetat-Puffer, Acetonitril), die Charakterisierung mittels MALDI-TOF MS.The synthesis of the oligonucleotides is carried out in an automatic oligonucleotide synthesizer (Expedite 8909, ABI 384 DNA / RNA synthesizer) according to the manufacturer's recommended synthesis protocols for a 1.0 μmol synthesis. Modifications to the 5 'position of the oligonucleotides are made with a 5 minute extended coupling step. The amino modifier C2 dT (Glen Research 10-1037) is incorporated into the sequences with the respective standard protocol. The preparation of 3'-thiol-modified ligate oligonucleotides (or HO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 OPO 3 oligonucleotides) is carried out on 1-O-dimethoxytrityl-propyl disulfide-CPG carrier (Glen Research 20-2933) analogous to standard protocols, wherein the oxidation steps are carried out with a 0.02 mol / l iodine solution in order to avoid an oxidative cleavage of the disulfide bridge. The coupling efficiencies are determined photometrically or conductometrically online during the synthesis via the DMT cation concentration. The oligonucleotides are deprotected with concentrated ammonia (30%) at 37 ° C for 16 h. The purification of the oligonucleotides is carried out by means of RP-HPL chromatography according to standard protocols (mobile phase: 0.1 mol / l triethylammonium acetate buffer, acetonitrile), the characterization by means of MALDI-TOF MS.
Beispiel 2: Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S(CH2)2-ss-oligoExample 2: Preparation of the oligonucleotide electrode Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo
Die Herstellung von Au-S(CH2)2-ss-oligo gliedert sich in 2 Teilabschnitte, nämlich der Darstellung der leitfähigen Oberfläche und der Derivatisierung der Oberfläche mit dem Ligat-Oligonukleotid in Gegenwart eines geeigneten monofunktionalen Linkers (Inkubationsschritt).The preparation of Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo is subdivided into 2 sections, namely the preparation of the conductive surface and the derivatization of the surface with the ligate oligonucleotide in the presence of a suitable monofunctional linker (incubation step).
Das Trägermaterial für die kovalente Anbindung der Doppelstrang-Oligonukleotide bildet ein ca. 100 nm dünner Gold-Film auf Mica (Muskovit Plättchen). Dazu wird in einer elektrischen Entladungskammer frisch gespaltenes Mica mit einem Argon-Ionenplasma gereinigt und durch elektrische Entladung Gold (99.99%) in einer Schichtdicke von ca. 100 nm aufgebracht. Anschließend wird der Gold-Film mit 30% H2O2/70% H2SO4 von Oberflächenverunreinigungen befreit (Oxidation organischer Ablagerungen) und für ca. 20 Minuten in Ethanol getaucht, um an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff zu verdrängen. Nach Abspülen der Oberfläche mit bidestilliertem Wasser wird auf die horizontal gelagerte Oberfläche eine vorher bereitete 1 × 10-4 molare Lösung des (modifizierten) Oligonukleotids aufgetragen, so dass die komplette Gold-Oberfläche benetzt wird (Inkubationsschritt, siehe auch unten).The support material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides forms an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelets). For this purpose, freshly split mica is cleaned in an electric discharge chamber with an argon ion plasma and applied by electrical discharge gold (99.99%) in a layer thickness of about 100 nm. Subsequently, the gold film is freed from surface contamination with 30% H 2 O 2 /70% H 2 SO 4 (oxidation of organic deposits) and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface. After rinsing the surface with bidistilled water, a previously prepared 1 × 10 -4 molar solution of the (modified) oligonucleotide is applied to the horizontally mounted surface so that the complete gold surface is wetted (incubation step, see also below).
Zur Inkubation wird ein modifiziertes 20 bp Einzelstrang-Oligonukleotid der Sequenz 5'-TAG CGG ATA ACA CAG TCA CC-3' verwendet, das an der Phosphatgruppe des 3' Endes mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH (vgl. Bsp. 1) verestert ist. Zu einer 5 × 10-5 molaren Lösung dieses Oligonukleotids in HEPES-Puffer (0.1 molar in Wasser, pH 7.5 mit 0.7 molarem Zusatz von TEATFB) wird eine ca. 10-5 bis 10-1 molare Propanthiol-Lösung (oder ein anderes Thiol oder Disulfid geeigneter Kettenlänge) zugegeben, die Gold-Oberfläche eines Test-Sites komplett benetzt und 2 – 24 h inkubiert. Während dieser Reaktionszeit wird der Disulfidspacer P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH des Oligonukleotids homolytisch gespalten. Dabei bildet der Spacer mit Au-Atomen der Oberfläche eine kovalente Au-S-Bindung aus, wodurch es zu einer 1:1 Koadsorption des ss-Oligonukleotids und des abgespaltenen 2-Hydroxy-mercaptoethanols kommt. Das in der Inkubationslösung gleichzeitig anwesende, freie Propanthiol wird ebenfalls durch Ausbildung einer Au-S-Bindung koadsorbiert (Inkubationsschritt). Statt des Einzelstrang-Oligonukleotids kann dieser Einzelstrang auch mit seinem unmodifizierten Komplementärstrang hybridisiert sein.For incubation, a modified 20 bp single-stranded oligonucleotide of the sequence 5'-TAG CGG ATA ACA CAG TCA CC-3 'is used, which is attached to the phosphate group of the 3' end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH (see Example 1) is esterified. To a 5 × 10 -5 molar solution of this oligonucleotide in HEPES buffer (0.1 molar in water, pH 7.5 with 0.7 molar addition of TEATFB), an approximately 10 -5 to 10 -1 molar propanethiol solution (or another thiol or disulfide of appropriate chain length), completely wet the gold surface of a test site and incubate for 2 to 24 hours. During this reaction time, the disulphide spacer PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH of the oligonucleotide is homolytically cleaved. The spacer with Au atoms of the surface forms a covalent Au-S bond, resulting in a 1: 1 coadsorption of the ss oligonucleotide and the split-off 2-hydroxy-mercaptoethanol. The simultaneously present in the incubation solution, free propanethiol is also coadsorbed by formation of an Au-S bond (incubation step). Instead of the single-stranded oligonucleotide, this single strand may also be hybridized with its unmodified complementary strand.
Beispiel 3: Alternative Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S(CH2)2-ss-oligoExample 3: Alternative preparation of the oligonucleotide electrode Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo
Die alternative Herstellung von Au-S(CH2)2-ss-oligo gliedert sich in 3 Teilabschnitte, nämlich der Darstellung der leitfähigen Oberfläche, der Derivatisierung der Oberfläche mit dem Ligat-Oligonukleotid (Inkubationsschritt) und der Nachbelegung der so modifizierten Elektrode mit einem geeigneten monofunktionalen Linker (Nachbelegungsschritt). Das Trägermaterial für die kovalente Anbindung der Ligat-Oligonukleotide bildet ein ca. 100 nm dünner Gold-Film auf Mica (Muskovit Plättchen), vgl. Bsp. 2.The alternative preparation of Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo is subdivided into 3 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the ligate oligonucleotide (incubation step) and the subsequent deposition of the thus modified electrode with a suitable monofunctional linker (Nachbelegungsschritt). The support material for the covalent attachment of the ligate oligonucleotides forms an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelets), cf. Ex. 2.
Zur Inkubation wird ein modifiziertes 20 bp Einzelstrang-Oligonukleotid der Sequenz 5'-TAG CGG ATA ACA CAG TCA CC-3' verwendet, das an der Phosphatgruppe des 3' Endes mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert ist. Die Goldoberfläche eines Test-Sites wird mit einer ca. 5 × 10-5 molaren Lösung dieses Oligonukleotids in HEPES-Puffer (0.1 molar in Wasser, pH 7.5) benetzt und 2 – 24 h inkubiert. Während dieser Reaktionszeit wird der Disulfidspacer P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH des Oligonukleotids homolytisch gespalten. Dabei bildet der Spacer mit Au-Atomen der Oberfläche eine kovalente Au-S-Bindung aus, wodurch es zu einer Koadsorption des ss-Oligonukleotids und des abgespaltenen 2-Hydroxy-mercaptoethanols kommt (Inkubationsschritt).For incubation, a modified 20 bp single-stranded oligonucleotide of the sequence 5'-TAG CGG ATA ACA CAG TCA CC-3 'is used, which is attached to the phosphate group of the 3' end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to the PO - (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH esterified. The gold surface of a test site is wetted with an approximately 5 × 10 -5 molar solution of this oligonucleotide in HEPES buffer (0.1 molar in water, pH 7.5) and incubated for 2-24 h. During this reaction time, the disulphide spacer PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH of the oligonucleotide is homolytically cleaved. In this case, the spacer with Au atoms of the surface forms a covalent Au-S bond, as a result of which a coadsorption of the ss oligonucleotide and of the cleaved 2-hydroxy-mercaptoethanol occurs (incubation step).
Anschließend wird die so modifizierte Gold-Elektrode mit einer ca. 10-5 bis 10-1 molaren Propanthiol-Lösung (in Wasser oder Puffer, pH 7 – 7.5) oder mit einem anderen Thiol oder Disulfid (geeigneter Kettenlänge) komplett benetzt und 2 – 24h inkubiert. Das freie Propanthiol belegt nach dem Inkubationsschritt verbleibende freie Gold-Oberfläche durch Ausbildung einer Au-S-Bindung.Subsequently, the thus modified gold electrode is completely wetted with a ca. 10 -5 to 10 -1 molar propanethiol solution (in water or buffer, pH 7 - 7.5) or with another thiol or disulfide (suitable chain length) and 2 - Incubated for 24 hours. The free propanethiol occupies the remaining free gold surface after the incubation step by forming an Au-S bond.
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