DE102011056606B3 - A method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events - Google Patents
A method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events Download PDFInfo
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Abstract
Beschrieben wird ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen umfassend die Schritte
a) Bereitstellen einer modifizierten Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung wenigstens einer Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren (1) besteht, wobei die Sonden-Nukleinsäureoligomere (1) einen zu einem ersten Signal-Pin-Abschnitt (5’) von Signal-Nukleinsäureoligomeren (2) komplementären Sonden-Pin-Abschnitt (5) besitzen,
b) Bereitstellen wenigstens einer Art von Signal-Nukleinsäureoligomeren (2), wobei
– die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen zu dem Sonden-Pin-Abschnitt (5) der Sonden-Nukleinsäureoligomere (1) komplementären ersten Signal-Pin-Abschnitt (5’) besitzen,
– die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen zu einem Target-Erkennungs-Abschnitt (8’) von Target-Nukleinsäureoligomeren (10) komplementären Signal-Erkennungs-Abschnitt (8) besitzen,
– die Signal-Nukleinsäureoligomere (2) einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitt (5’, 5’’) besitzen, wobei die Hairpin-Struktur eine Schmelztemperatur TPIN aufweist, ...Described is a method for electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events comprising the steps
a) providing a modified surface, wherein the modification in the connection of at least one type of probe nucleic acid oligomers (1), wherein the probe nucleic acid oligomers (1) to a first signal pin portion (5 ') of signal nucleic acid oligomers (2) have complementary probe pin section (5),
b) providing at least one type of signal nucleic acid oligomer (2), wherein
The signal nucleic acid oligomers (2) have a first signal pin section (5 ') complementary to the probe pin section (5) of the probe nucleic acid oligomers (1),
The signal nucleic acid oligomers (2) have a signal recognition section (8) complementary to a target recognition section (8 ') of target nucleic acid oligomers (10),
The signal nucleic acid oligomers (2) have a first and a second signal pin section (5 ', 5'') complementary to one another to form a hairpin structure, the hairpin structure having a melting temperature T PIN ,
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen. The present invention relates to a method for the electrochemical detection of nucleic acid oligomer hybridization events.
Stand der Technik State of the art
In der Krankheitsdiagnose, der mikrobiologischen Diagnostik, bei toxikologischen Testverfahren, in der genetischen Forschung und Entwicklung, sowie auf dem Agrar- und pharmazeutischen Sektor ist ein Direktnachweis kleinster Mengen von Nukleinsäuren mittlerweile unumgänglich. Zunehmend finden Detektionsverfahren mittels Array-Technologie unter Verwendung sogenannter DNA-Chips Anwendung, die eine oberflächensensitive Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen ermöglichen. Mit Hilfe dieser empfindlichen Methode können Nukleinsäuren mit einer sehr geringen Nachweisgrenze detektiert werden. In disease diagnosis, microbiological diagnostics, toxicological testing, genetic research and development, as well as in the agricultural and pharmaceutical sectors, the direct detection of very small amounts of nucleic acids has become indispensable. Increasingly, detection techniques using array technology using so-called DNA chips have become available which enable surface-sensitive detection of nucleic acid oligomer hybridization events. With the help of this sensitive method, nucleic acids can be detected with a very low detection limit.
Häufig ist jedoch vor der eigentlichen Detektion ein DNA-Amplifizierungsschritt notwendig, in dem die nachzuweisenden DNA-Moleküle vervielfältigt werden, damit sie letztlich in einer Konzentration vorhanden sind, die über der Nachweisgrenze der gewählten Detektionsmethode liegt. Often, however, prior to the actual detection, a DNA amplification step is necessary in which the DNA molecules to be detected are amplified so that they are ultimately present in a concentration which is above the detection limit of the selected detection method.
Die PCR stellt eine solche für die Molekularbiologie grundlegende Methode dar, die im Wesentlichen der Vervielfältigung von DNA-Molekülen dient und den schnellen, empfindlichen Direktnachweis kleinster Mengen von DNA oder RNA erlaubt. In den vergangenen Jahren hat diese Methode die Labors erobert, da ihre Anwendung sehr breit und vielschichtig ist. Die PCR hat in fast allen Bereichen der Wissenschaft und Medizin, einschließlich der forensischen Medizin, der pränatalen Diagnostik, der Onkologie und nicht zuletzt in der mikrobiologischen Diagnostik Einzug gehalten. Beispielsweise ist die PCR auf dem Sektor der klinischen Diagnostik meist die Methode der Wahl um z. B. Krankheitserreger nachzuweisen. Ebenso wird sie in der Lebensmittelindustrie als Nachweismethode für belastende Keime angewandt. The PCR is such a basic method for molecular biology, which essentially serves the duplication of DNA molecules and allows the rapid, sensitive direct detection of minute amounts of DNA or RNA. In recent years, this method has conquered the laboratories, as their application is very broad and complex. PCR has found its way into almost all areas of science and medicine, including forensic medicine, prenatal diagnostics, oncology and, not least, microbiological diagnostics. For example, PCR in the field of clinical diagnostics is usually the method of choice for z. B. detect pathogens. It is also used in the food industry as a detection method for harmful germs.
Bei der PCR handelt es sich um eine enzymatische Reaktion zur Amplifikation von Nukleinsäuremolekülen, die im Wesentlichen in einem wässrigen bzw. flüssigen Reaktionsgemisch mit sehr kleinen Volumina abläuft. Im Reaktionsgemisch befindet sich eine Nukleinsäure enthaltende Probe und die für die Reaktion außerdem notwendigen Primer, Nukleotide und eine Polymerase. Durch Zugabe von Puffern und vorzugsweise zweiwertigen Ionen wie z. B. Mg2+ wird das Reaktionsgemisch so eingestellt, dass die für die jeweilige Anwendungsart optimalen Reaktionsbedingungen herrschen. The PCR is an enzymatic reaction for the amplification of nucleic acid molecules, which essentially takes place in an aqueous or liquid reaction mixture with very small volumes. The reaction mixture contains a nucleic acid-containing sample and the primers, nucleotides and a polymerase which are also necessary for the reaction. By adding buffers and preferably bivalent ions such. B. Mg 2+ , the reaction mixture is adjusted so that prevail for the respective application optimum reaction conditions.
Die Polymerase-Kettenreaktion beruht auf einem immer wiederkehrenden Zyklus aus drei, bei unterschiedlichen Temperaturen ablaufenden Schritten, nämlich Denaturierung, Hybridisierung und Verlängerung. The polymerase chain reaction is based on a recurring cycle of three steps occurring at different temperatures, namely denaturation, hybridization and extension.
Bei der Denaturierung wird das Reaktionsgemisch auf eine Temperatur größer 90°C, vorzugsweise 94°C bis 95°C erhitzt. Dadurch t rennen sich die beiden komplementären Stränge einer doppelsträngigen DNA, die DNA wird „aufgeschmolzen“ bzw. denaturiert und liegt anschließend in Einzelsträngen vor. In the denaturation, the reaction mixture is heated to a temperature greater than 90 ° C, preferably 94 ° C to 95 ° C. As a result, the two complementary strands of a double-stranded DNA run, the DNA is "melted" or denatured and is then present in single strands.
Bei der Hybridisierung (auch „Annealing“) wird die Temperatur auf eine sogenannte „Annealing-Temperatur“ herabgesetzt. Bei dieser Temperatur verbinden sich die Primer mit der DNA, sie hybridisieren. During the hybridization (also "annealing"), the temperature is lowered to a so-called "annealing temperature". At this temperature, the primers combine with the DNA, they hybridize.
An den Stellen, an denen der Primer gebunden ist, lagern sich die Polymerasen an und beginnen mit der Verlängerung, indem sie weitere komplementäre Nukleotide am 3’-OH-Ende des Primers anfügen und damit einen Gegenstrang synthetisieren. At the sites where the primer is bound, the polymerases anneal and begin to elongate by attaching additional complementary nucleotides to the 3'-OH end of the primer to synthesize a counterstrand.
Bei jeder Wiederholung obiger drei Schritte verdoppelt sich die Anzahl an kopierten DNA-Molekülen. Nach 20 Zyklen entstehen auf diese Weise aus einem einzigen DNA-Doppelstrang etwa eine Million Moleküle. Each repetition of the above three steps doubles the number of copied DNA molecules. After 20 cycles, about one million molecules are formed from a single DNA double strand.
Die Anzahl der Zyklen kann je nach Anwendungsart, Beschaffenheit der Probe und den spezifischen Anforderungen und Reaktionsbedingungen entsprechend gewählt werden. Ebenso kann die Einstellung der Zeitspannen für die einzelnen Schritte an die Erfordernisse bestimmter Anwendungsarten angepasst werden. The number of cycles can be selected according to the type of application, the nature of the sample and the specific requirements and reaction conditions. Likewise, the setting of the time intervals for the individual steps can be adapted to the requirements of specific types of applications.
Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang noch eine besondere Art der PCR, die Real-Time-PCR. Diese quantitative PCR Methode erfreut sich in den molekularbiologischen Labors immer größerer Beliebtheit, da sie eine Detektion der Proben-DNA bzw. der Amplifikationsprodukte in Echtzeit und zugleich die Bestimmung der anwesenden Menge einer Proben-DNA erlaubt. Noteworthy in this context is a special type of PCR, the real-time PCR. This quantitative PCR method is becoming increasingly popular in molecular biology laboratories. since it allows detection of the sample DNA or the amplification products in real time and at the same time the determination of the amount of a sample DNA present.
Die Bestimmung der DNA-Menge am Ende einer PCR („Endpunktsbestimmung“) lässt aus vielerlei Gründen nicht direkt Rückschlüsse auf die Zahl der ursprünglich vorliegenden Moleküle zu, da z.B. am Anfang wie auch am Ende der PCR die Bedingungen für die Polymerasen nicht unbedingt optimal sind und daher die Amplifikation nicht über die ganze Reaktionszeit gleichmäßig abläuft. Daher kann die Quantifizierung am Ende einer PCR sehr ungenau sein. Wesentlich genauere Quantifizierungen sind möglich, wenn die Anzahl gebildeter DNA-Moleküle schon während der Reaktion, also nach jedem einzelnen Zyklus, erfasst wird. The determination of the amount of DNA at the end of a PCR ("end point determination") for many reasons does not allow to directly deduce the number of molecules originally present, because e.g. At the beginning as well as at the end of the PCR, the conditions for the polymerases are not necessarily optimal and therefore the amplification does not proceed uniformly over the entire reaction time. Therefore, the quantification at the end of a PCR can be very inaccurate. Much more accurate quantification is possible if the number of DNA molecules formed during the reaction, so after every single cycle is detected.
Die meisten bekannten Verfahren zur Real-Time-PCR bedienen sich der Fluoreszenzmessung, wobei sequenzunabhängige und seuenzspezifische Detektionsmethoden bekannt sind. Bei den sequenzunabhängigen Detektionsmethoden wird beispielsweise ein interkalierender Fluoreszenzfarbstoff verwendet, welcher sich sequenzunabhängig in doppelsträngige DNA einlagert. Durch Amplifizierung einer DNA erhöht sich die Gesamtmenge an DNA, das Fluoreszenzsignal nimmt zu. Bei sequenzspezifischen Nachweismethoden sollen ganz spezifische Targets oder Gen-Abschnitte in einem Testansatz nachgewiesen und quantifiziert werden. Dazu werden Oligonukleotid-Sonden verwendet, die an die amplifizierte Target-DNA binden. Most known methods for real-time PCR use the fluorescence measurement, sequence-independent and sequence-specific detection methods are known. In the sequence-independent detection methods, for example, an intercalating fluorescent dye is used, which stores sequence-independently in double-stranded DNA. By amplifying a DNA, the total amount of DNA increases, the fluorescence signal increases. For sequence-specific detection methods, very specific targets or gene segments are to be detected and quantified in a single assay. For this purpose, oligonucleotide probes are used which bind to the amplified target DNA.
Mehrere Prinzipien zur sequenzspezifischen Detektion eines Fluoreszenzsignals und damit zur Detektion und Quantifizierung der Target-DNA stehen zur Verfügung. Beispielweise kann der Nachweis über ein so genanntes FRET-Prinzip (Fluorescence Resonance Energy Transfer Prinzip) geführt werden. Dabei werden zwei spezifische Oligonukleotid-Sonden, welche im Target direkt benachbart binden können, eingesetzt. Jede Oligonukleotid-Sonde ist mit einem anderen Fluoreszenzfarbstoff markiert, wobei einer der Farbstoffe, nach Anregung mit Licht durch seine emittierten Photonen wiederum den zweiten Farbstoff anregt sofern dieser sich in ausreichender Nähe befindet. Das Emissionslicht dieses zweiten Farbstoffes wird mittels einer geeigneten Vorrichtung detektiert. Die Zunahme der Fluoreszenzintensität spiegelt die Zunahme des Targets wider. Several principles for the sequence-specific detection of a fluorescence signal and thus for the detection and quantification of the target DNA are available. For example, the detection can be performed via a so-called FRET principle (fluorescence resonance energy transfer principle). In this case, two specific oligonucleotide probes, which can bind directly adjacent in the target used. Each oligonucleotide probe is labeled with a different fluorescent dye, wherein one of the dyes, after excitation with light by its emitted photons again stimulates the second dye if this is in sufficient proximity. The emission light of this second dye is detected by a suitable device. The increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
Eine weitere Möglichkeit zur sequenzspezifischen Messung eines Fluoreszenzsignals beruht auf dem Prinzip des Fluoreszenz-Quenching. Eine spezifische fluoreszenzmarkierte Sonde wird zusätzlich mit einem Fluoreszenzquencher ausgestattet, der sich in ausreichender räumlicher Nähe zum Fluorophor befindet, so dass die Sonde wegen des Quench-Vorgangs nicht fluoresziert. Bei geeigneter Konstruktion der Sonde wird aufgrund der Hybridisierung der Sonde an das Target der Quencher räumlich vom Fluoropphor entfernt, das Quenching verhindert und es kommt zur Fluoreszenzemission. Der Quencher kann auch bei an das Target gebundenen Sonden mittels einer geeigneten Exonukleaseaktivität einer Polymerase im PCR-Ansatz abgeschnitten werden. Auch hier spiegelt die Zunahme der Fluoreszenzintensität die Zunahme des Targets wider. Another possibility for the sequence-specific measurement of a fluorescence signal is based on the principle of fluorescence quenching. A specific fluorescence-labeled probe is additionally equipped with a fluorescence quencher that is sufficiently close to the fluorophore that the probe does not fluoresce because of the quenching process. With proper design of the probe, due to hybridization of the probe to the target, the quencher is spatially removed from the fluorophore, quenching is prevented, and fluorescence emission occurs. The quencher can also be cut off in probes bound to the target by means of a suitable exonuclease activity of a polymerase in the PCR approach. Again, the increase in fluorescence intensity reflects the increase in the target.
Alternativ zu fluoreszenzabhängigen Detektionsmethoden wird zur Genanalyse mittels eines bereits eingangs erwähnten Detektionsverfahrens über Array-Technologien auf einem Chip beispielsweise auf einer Oberfläche eine Bibliothek bekannter DNA-Sequenzen ("Sonden-Oligonukleotide") in einem geordneten Raster fixiert, so dass die Position jeder individuellen DNA-Sequenz bekannt ist. Existieren in der Untersuchungslösung Fragmente aktiver Gene ("Target-Oligonukleotide"), deren Sequenzen zu bestimmten Sonden-Oligonukleotiden auf dem Chip komplementär sind, so können die Target-Oligonukleotide durch Nachweis der entsprechenden Hybridisierungsereignisse auf dem Chip identifiziert werden. As an alternative to fluorescence-dependent detection methods, a library of known DNA sequences ("probe oligonucleotides") is fixed in an ordered grid for gene analysis by means of an already mentioned detection method via array technologies on a chip, for example on a surface, so that the position of each individual DNA Sequence is known. If fragments of active genes ("target oligonucleotides") whose sequences are complementary to specific probe oligonucleotides on the chip exist in the assay solution, then the target oligonucleotides can be identified by detection of the corresponding hybridization events on the chip.
Verfahren zur oberflächensensitiven Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen sind hinreichend bekannt. So beschreibt beispielsweise die
Die
Als nachteilig an diesen Verfahren hat sich herausgestellt, dass die Verdrängung der an die Sonden-Nukleinsäureoligomere hybridisierten Signal-Nukleinsäureoligomere durch die Target-Nukleinsäureoligomere eine Abnahme der Signalintensität bewirkt. Der Nachweis von Target-Nukleinsäureoligomeren erfolgt also ausgehend von einem maximalen Detektionssignal durch eine nachfolgende Abnahme der Signalintensität. A disadvantage of this method has been found that the displacement of the signal nucleic acid oligomers hybridized to the probe nucleic acid oligomers by the target nucleic acid oligomers causes a decrease in the signal intensity. The detection of target nucleic acid oligomers thus takes place on the basis of a maximum detection signal by a subsequent decrease in the signal intensity.
Es ist allgemein bekannt, dass die Detektion von beliebigen Target-Molekülen mit deutlich besserer Nachweisgrenze erfolgen kann, wenn der Nachweis von einem Null-Signal ausgeht, d.h. bei Abwesenheit der gesuchten Target-Moleküle wird auch kein Signal detektiert. Wünschenswert wäre es, wenn die Signalintensität direkt mit der Anzahl an anwesenden Target-Molekülen korrelieren würde. Aus der Zunahme der Signalintensität könnte dann die Bildung von Target-Molkülen mitverfolgt werden. It is well known that the detection of any target molecules can be done with significantly better detection limit, if the detection of a zero signal, ie in the absence of the target molecules sought no signal is detected. It would be desirable if the signal intensity correlated directly with the number of target molecules present. From the increase in signal intensity, the formation of target molecules could then be followed.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen zu schaffen, das den Nachweis von Target-Nukleinsäureoligomeren durch eine Zunahme der Signalintensität ermöglicht. It is therefore an object of the present invention to provide a method of detecting nucleic acid oligomer hybridization events which enables the detection of target nucleic acid oligomers by an increase in signal intensity.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß unabhängigem Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung, den Figuren und den Beispielen. This object is achieved by the method according to
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt:
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäureoligomer-Hybridisierungsereignissen bereit umfassend die Schritte
- a) Bereitstellen einer modifizierten Oberfläche, wobei die Modifikation in der Anbindung wenigstens einer Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren besteht, wobei die Sonden-Nukleinsäureoligomere einen zu einem ersten Signal-Pin-Abschnitt von Signal-Nukleinsäureoligomeren komplementären Sonden-Pin-Abschnitt besitzen,
- b) Bereitstellen wenigstens einer Art von Signal-Nukleinsäureoligomeren, wobei – die Signal-Nukleinsäureoligomere einen zu dem Sonden-Pin-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere komplementären ersten Signal-Pin-Abschnitt besitzen, – die Signal-Nukleinsäureoligomere einen zu einem Target-Erkennungs-Abschnitt von Target-Nukleinsäureoligomeren komplementären Signal-Erkennungs-Abschnitt besitzen, – die Signal-Nukleinsäureoligomere einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitt besitzen, wobei die Hairpin-Struktur eine Schmelztemperatur TPIN aufweist, – der erste Signal-Pin-Abschnitt nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär ist, und – die Signal-Nukleinsäureoligomere im Bereich des ersten Signal-Pin-Abschnitts mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert sind,
- c) Bereitstellen einer Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren,
- d) Bereitstellen einer Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, wobei die Reaktionslösung zumindest Nukleotide, wenigstens eine Art von Primer und wenigstens eine Art von Nukleinsäure-Polymerase mit Exonuklease-Aktivität enthält,
- e) Mischen der in Schritt d) bereitgestellten Reaktionslösung mit den in Schritt b) bereitgestellten Signal-Nukleinsäureoligomeren und der in Schritt c) bereitgestellten Probe mit Target-Nukleinsäureoligomeren,
- f) Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere mittels Nukleinsäureamplifikation unter Bildung von Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücken,
- g) Inkontaktbringen des in Schritt f) erhaltenen Reaktionsgemisches mit der in Schritt a) bereitgestellten modifizierten Oberfläche,
- h) Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur TDET ≤ TPIN,
- i) mehrfache Wiederholung der Schritte f) bis h),
- k) Vergleich der verschiedenen in Schritt h) erhaltenen Werte umfasst.
- a) providing a modified surface, wherein the modification consists in the attachment of at least one type of probe nucleic acid oligomers, wherein the probe nucleic acid oligomers have a complementary to a first signal pin portion of signal nucleic acid oligomers probe pin section,
- b) providing at least one type of signal nucleic acid oligomers, wherein - the signal nucleic acid oligomers have a first signal pin section which is complementary to the probe pin section of the probe nucleic acid oligomers, - the signal nucleic acid oligomers contain a signal to a target recognition Have signal-nucleic acid oligomers complementary a first and a second to form a hairpin structure complementary signal pin section, wherein the hairpin structure has a melting temperature T PIN , the first signal pin section is not complementary to the target nucleic acid oligomers, and - the signal nucleic acid oligomers in the region of the first signal pin section are modified with at least one redox-active detection label,
- c) providing a sample with target nucleic acid oligomers,
- d) providing a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution contains at least nucleotides, at least one type of primer and at least one type of nucleic acid polymerase with exonuclease activity,
- e) mixing the reaction solution provided in step d) with the signal nucleic acid oligomers provided in step b) and the sample provided in step c) with target nucleic acid oligomers,
- f) Amplification of the Target Nucleic Acid Oligomers by Nucleic Acid Amplification to Form Signal Nucleic Acid Oligomer Portions,
- g) contacting the reaction mixture obtained in step f) with the modified surface provided in step a),
- h) detection of the signal nucleic acid oligomer fragments formed by an electrochemical detection method at a temperature T DET ≦ T PIN ,
- i) repeated repetition of steps f) to h),
- k) comparing the different values obtained in step h).
Der Begriff Hairpin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung für eine DANN-Sekundärstruktur verwendet, bei der durch intramolekulare Basenpaarungen eine Haarnadelstruktur gebildet wird. Ein Hairpin besteht aus einem doppelsträngigen Abschnitt, welcher vorliegend auch als „Doppelhelix-Abschnitt“ oder „Pin“ oder „Stem“ bezeichnet wird und aus einem einzelsträngig vorliegenden Schleifenabschnitt, welcher vorliegend auch als „Loop“ bezeichnet wird. The term hairpin is used in the context of the present invention for a DNA secondary structure in which a hairpin structure is formed by intramolecular base pairings. A hairpin consists of a double-stranded section, which in the present case is also referred to as "double helix section" or "pin" or "stem", and of a single-stranded loop section, which in the present case is also referred to as a "loop".
Die zur Ausbildung des Hairpins zueinander komplementären Abschnitte des Signal-Nukleinsäureoligomers, welche den doppelsträngigen Pin des Hairpins bilden, werden in der vorliegenden Erfindung als „erster und zweiter Signal-Pin-Abschnitt“ bezeichnet. Der vorliegend verwendete Ausdruck „Sonden-Pin-Abschnitt“ beschreibt einen zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt komplementären Abschnitt am Sonden-Nukleinsäureoligomer. The mutually complementary sections of the signal nucleic acid oligomer forming the hairpin, which form the double-stranded pin of the hairpin, are referred to in the present invention as "first and second signal pin sections." The term "probe pin portion" as used herein describes a portion complementary to the first signal pin portion on the probe nucleic acid oligomer.
Unter der Angabe „innerhalb der Hairpin-Struktur angeordnete“ Sequenz-Abschnitte wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung verstanden, dass die Sequenzabschnitte im Loop-Bereich des Hairpins und somit – bezogen auf den Einzelstrang – zwischen den zwei zur Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitten des entsprechenden Einzelstranges angeordnet sind. In the context of the present invention, the term "sequence sections arranged within the hairpin structure" is understood to mean that the sequence sections in the loop region of the hairpin and thus-in relation to the single strand-are complementary between the two to form a hairpin structure Signal pin sections of the corresponding single strand are arranged.
Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Ausdruck „Signal-Erkennungs-Abschnitt“ bezieht sich auf einen zu einem Abschnitt des Target-Nukleinsäureoligomers komplementären Abschnitt des Signal-Nukleinsäureoligomers und bezeichnet einen Sequenzabschnitt im Signal-Nukleinsäureoligomer, welcher aufgrund seiner komplementären Struktur beispielsweise mit einem spezifischen Sequenzabschnitt des Targets einen Doppelstrang ausbilden kann und so zur Erkennung eines nachzuweisenden Targets dient. In Analogie dazu wird vorliegend der entsprechende Abschnitt des Target-Nukleinsäureoligomers, welcher durch den Signal-Erkennungs-Abschnitt erkannt wird, mit „Target-Erkennungs-Abschnitt“ bezeichnet. The term "signal recognition portion" used in the present invention refers to a portion of the signal nucleic acid oligomer complementary to a portion of the target nucleic acid oligomer and denotes a sequence portion in the signal nucleic acid oligomer which, due to its complementary structure, has a specific sequence portion, for example of the target can form a double strand and thus serves to detect a target to be detected. By analogy, in the present case, the corresponding portion of the target nucleic acid oligomer recognized by the signal recognition portion will be referred to as the "target recognition portion".
Unter einer „weitgehend komplementären Struktur“ werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Sequenzabschnitte verstanden, bei denen maximal 10% der Basenpaare Mismatches ausbilden. Bevorzugt handelt es sich bei einer „weitgehend komplementären Struktur“ im Rahmen der vorliegenden Erfindung um Sequenzabschnitte, bei denen maximal 5% der Basenpaare Mismatches ausbilden. In the context of the present invention, a "largely complementary structure" is understood as meaning sequence segments in which a maximum of 10% of the base pairs form mismatches. In the context of the present invention, a "largely complementary structure" is preferably sequence sections in which a maximum of 5% of the base pairs form mismatches.
Von den erfindungsgemäß bereitgestellten Komponenten liegen unter Normalbedingungen die Signaloligonukleotide vorwiegend in einer Hairpin-Struktur vor, die Target-Nukleinsäureoligomere bilden einen Doppelstrang, die Primer liegen in der Regel einzelsträngig vor und die Nukleinsäure-Polymerase liegt für gewöhnlich ungebunden vor und weist keine Syntheseaktivität auf. Of the components provided according to the invention, the signal oligonucleotides are present predominantly in a hairpin structure under normal conditions, the target nucleic acid oligomers form a double strand, the primers are usually single-stranded and the nucleic acid polymerase is usually unbound and has no synthesis activity.
Die Hairpin-Struktur der Signaloligonukleotide besitzt eine Schmelztemperatur TPIN. Unter der Schmelztemperatur einer Hairpin-Struktur wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Temperatur verstanden, bei der 50% der Signaloligonukleotide als Hairpin und 50% der Signaloligonukleotide in offener Form vorliegen. The hairpin structure of the signal oligonucleotides has a melting temperature T PIN . In the context of the present invention, the melting temperature of a hairpin structure is understood to be the temperature at which 50% of the signal oligonucleotides are in the form of hairpin and 50% of the signal oligonucleotides are in open form.
Zum Start eines Amplifizierungszyklus werden sämtliche potentielle Hybride/Selbsthybride durch eine geeignete, dem Fachmann bekannte Maßnahme wie beispielsweise eine Temperaturerhöhung dissoziiert. Bei einer anschließenden Temperatursenkung hybridisieren die Primer an komplementäre Stellen der noch einzelsträngigen Targets an. Die Polymerase wiederum bindet im Bereich des 3`-OH-Endes der Primer an das Hybrid aus Primer und Target und beginnt mit der Verlängerung des Primers an dessen 3`-OH-Ende. Bei dieser Polymerisierung wird der vorliegende Einzelstrang des Targets als Matrize abgelesen und ein neuer Doppelstrang gebildet. To start an amplification cycle, all potential hybrids / self-hybrids are dissociated by a suitable measure known to the person skilled in the art, for example an increase in temperature. In a subsequent decrease in temperature, the primers hybridize to complementary sites of the still single-stranded targets. In turn, the polymerase binds to the hybrid of primer and target in the region of the 3'-OH end of the primer and begins with the extension of the primer at its 3'-OH end. In this polymerization, the present single strand of the target is read as a template and a new double strand is formed.
Der Hairpin des Signaloligonukleotids verbleibt während der Temperaturabsenkung zumindest zum Teil in seiner offenen Form, der Signal-Erkennungs-Abschnitt hybridisiert an den entsprechenden Target-Erkennungs-Abschnitt der einzelsträngig vorliegenden Targets und bildet mit diesem einen Doppelstrang aus. The hairpin of the Signaloligonukleotids remains during the temperature reduction at least partially in its open form, the signal-recognition section hybridizes to the corresponding target recognition portion of the single-stranded targets and forms with this a double strand.
Da der erste Signal-Pin-Abschnitt des Signaloligonukleotids nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär ist, hybridisiert dieser nicht mit den Target-Nukleinsäureoligomeren und liegt daher als vom Target abstehender Abschnitt vor. Gelangt nun die Polymerase während der Polymerisierung an eine Stelle des Targets, an der bereits der Signal-Erkennungs-Abschnitt eines Signaloligos gebunden ist, so schneidet das Enzym aufgrund seiner Exonukleaseaktivität den nicht an das Target hybridisierten ersten Signal-Pin-Abschnitt in einem Bereich nahe des hybridisierten Signal-Erkennungs-Abschnittes ab. Dadurch entsteht ein kurzes Signaloligonukleotid-Teilstück, an welches das redoxaktive Detektionslabel gebunden ist und das von einem verbleibenden Signal-Oligonukleotid-Rumpf getrennt ist, welcher wiederum den zweiten Signal-Pin-Abschnitt umfasst. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Signaloligonukleotid-Teilstücke sowohl vom 3’ Ende wie auch vom 5’ Ende des Signaloligonukleotids geschnitten werden können, da sich das redoxaktive Detektionslabel vollkommen gleichwertig im Bereich des 3’ oder des 5’ Endes befinden kann. Since the first signal pin portion of the signal oligonucleotide is not complementary to the target nucleic acid oligomers, it does not hybridize with the target nucleic acid oligomers and therefore exists as the target protruding portion. If the polymerase now arrives at a site of the target on which the signal recognition section of a signal oligos is already bound during the polymerization, the enzyme, because of its exonuclease activity, cuts the first signal pin section not hybridized to the target in a region of the hybridized signal recognition section. This results in a short signal oligonucleotide portion to which the redox-active detection label is bound and which is separated from a remaining signal oligonucleotide trunk, which in turn comprises the second signal pin portion. At this point, it should be noted that the signal oligonucleotide cuts can be cut from both the 3 'end and the 5' end of the signal oligonucleotide since the redox active detection label can be perfectly equal in the 3 'or 5' end region.
Die so entstehenden, mit dem redoxaktiven Detektionslabel modifizierten Signaloligonukleotid-Teilstücke können aufgrund der Signal-Pin-Abschnitte an die dazu komplementären Sonden-Pin-Abschnitte der Sonden-Oligonukleotide und damit an die modifizierte Oberfläche binden. Die redoxaktiven Detektionslabel werden dabei zum elektrochemischen Nachweis von an die modifizierte Oberfläche (Elektroden) durch Hybridisierung mit den Sondenoligonukleotiden gebundenen Signaloligonukleotid-Teilstücken benutzt. Bei Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Teststelle wird ein dem Hybridisierungsgrad aus Sondenoligonukleotiden und gebundenen Signaloligonukleotid-Teilstücken entsprechender Strom gemessen. Dieses elektrisch detektierbare Signal ist bei einer Temperatur TDET ≤ TPIN deutlich höher als das entsprechende Signal der ursprünglichen Signaloligonukleotide, da letztere in der Hairpin-Form nicht oder nur zu einem sehr geringen Teil an die Sondenoligonukleotide gebunden werden. The resulting, with the redox-active detection label modified signal oligonucleotide sections can bind due to the signal pin sections to the complementary probe pin sections of the probe oligonucleotides and thus to the modified surface. The redox-active detection labels are used for the electrochemical detection of signal oligonucleotide segments bound to the modified surface (electrodes) by hybridization with the probe oligonucleotides. When a corresponding voltage is applied to the test site, a current corresponding to the degree of hybridization of probe oligonucleotides and bound signal oligonucleotide sections is measured. This electrically detectable signal is significantly higher than the corresponding signal at a temperature T DET ≦ T PIN original Signaloligonukleotide, since the latter in the hairpin form are not or only to a very small extent bound to the probe oligonucleotides.
Mit zunehmendem Fortgang der Nukleinsäure-Amplifikation läuft die Replikation der Target-Nukleinsäureoligomere unter Entstehung der Signaloligonukleotid-Teilstücke wiederholt ab und die Konzentration an freien Signaloligonukleotid-Teilstücken nimmt mit zunehmender Amplifizierung zu, was an der Teststelle nachvollzogen werden kann. Die Konzentrationszunahme führt an einer mit Sonden-Nukleinsäureoligomeren belegten Teststelle zu einer – im Vergleich zur Messung bei Zyklus 0 – deutlich beschleunigten Anhybridisierung der Signaloligo-Teilstücke und damit zu einer Zunahme des detektierten elektrochemischen Signals. As the nucleic acid amplification progresses, the replication of the target nucleic acid oligomers proceeds repeatedly to form the signal oligonucleotide portions, and the concentration of free signal oligonucleotide portions increases with increasing amplification, which can be understood at the test site. The increase in concentration leads to an occupied with probe nucleic acid oligomers test point to a - compared to the measurement at cycle 0 - significantly accelerated Anhybridisierung the Signaloligo sections and thus to an increase in the detected electrochemical signal.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine Methode zur Verfügung, mit der der Fortgang einer Real-Time Nukleinsäure-Amplifikation über eine Zunahme des elektrochemisch detektierten Signals ausgehend von einem im Wesentlich bei Null liegenden Signal verfolgt werden kann. Das elektrochemisch detektierte Signal nimmt proportional zur Zahl der Target-Nukleinsäureoligomere zu. Damit ist der Nachweis geringster Mengen an Target-Nukleinsäureoligomeren möglich. The method according to the invention thus provides a method with which the progress of a real-time nucleic acid amplification can be monitored by an increase of the electrochemically detected signal, starting from a substantially zero signal. The electrochemically detected signal increases in proportion to the number of target nucleic acid oligomers. This makes it possible to detect the smallest amounts of target nucleic acid oligomers.
Bevorzugt sind die Signal-Nukleinsäureoligomere mit mehreren Detektionslabel modifiziert, wodurch Signale mit höherer Intensität erhalten werden. Erfindungsgemäß wird als Detektionslabel eine redoxaktive Substanz verwendet. Preferably, the signal nucleic acid oligomers are modified with multiple detection labels, thereby obtaining higher intensity signals. According to the invention, the detection label used is a redox-active substance.
Die Signal-Nukleinsäureoligomere weisen bevorzugt 10 bis 200 Basen, insbesondere 20 bis 100 Basen, besonders bevorzugt 25 bis 70 Basen auf. Mit Hilfe von Signal-Nukleinsäureoligomeren dieser Länge können alle gewünschten Targets eindeutig identifiziert werden. The signal nucleic acid oligomers preferably have 10 to 200 bases, in particular 20 to 100 bases, particularly preferably 25 to 70 bases. With the help of signal nucleic acid oligomers of this length, all desired targets can be uniquely identified.
Erfindungsgemäß wird die Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere und die Detektion der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke mehrfach wiederholt, wodurch die Bestimmung der Zunahme der Signalintensität mit der Zeit im Laufe der Amplifikation der Target-Nukleinsäureoligomere ermöglicht wird. According to the invention, the amplification of the target nucleic acid oligomers and the detection of the signal nucleic acid oligomer sections are repeated several times, thereby enabling the determination of the increase in signal intensity over time in the course of the amplification of the target nucleic acid oligomers.
Die Konzentration der Signal-Nukleinsäureoligomere in dem in Schritt e) hergestellten Gemisch beträgt bevorzugt zwischen 10–15 mol/l und 10–5 mol/l, besonders bevorzugt zwischen 10–13 mol/l und 10–7 mol/l und insbesondere bevorzugt zwischen 10–11 mol/l und 10–7 mol/l. The concentration of the signal nucleic acid oligomers in the mixture prepared in step e) is preferably between 10 -15 mol / l and 10 -5 mol / l, more preferably between 10 -13 mol / l and 10 -7 mol / l and particularly preferred between 10 -11 mol / l and 10 -7 mol / l.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzen die Signal-Nukleinsäureoligomere zusätzlich zumindest einen Signal-Dock-Abschnitt, und die Sonden-Nukleinsäureoligomere zusätzlich einen zu dem Signal-Dock-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere komplementären Sonden-Dock-Abschnitt, wobei der Signal-Dock-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt angeordnet ist. Besonders bevorzugt ist der Sonden-Dock-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere benachbart zu dem Sonden-Pin-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere angeordnet. Insbesondere bevorzugt ist der Signal-Dock-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär. In addition, according to a preferred embodiment of the present invention, the signal nucleic acid oligomers have at least one signal docking section, and the probe nucleic acid oligomers additionally have a probe dock section complementary to the signal docking section of the signal nucleic acid oligomers, wherein the signal Dock portion of the signal nucleic acid oligomers adjacent to the first signal pin portion is arranged. More preferably, the probe dock portion of the probe nucleic acid oligomers is located adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomers. Most preferably, the signal docking portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers.
Der Signal-Dock-Abschnitt des Signal-Nukleinsäureoligomers befindet sich benachbart zu dem ersten Signal-Pin-Abschnitt, welcher mit dem redoxaktiven Detektionslabel versehen ist. Der Sonden-Dock-Abschnitt wiederum ist benachbart zu dem Sonden-Pin-Abschnitt des Sonden-Nukleinsäureoligomers. The signal docking portion of the signal nucleic acid oligomer is adjacent to the first signal pin portion which is provided with the redox active detection label. In turn, the probe dock portion is adjacent to the probe pin portion of the probe nucleic acid oligomer.
Im Falle eines nicht zum Target komplementären Signal-Dock-Abschnitts bleibt dieser auch bei einer Anhybridisierung des Signal-Erkennungs-Abschnittes an das Target zusammen mit dem ersten Signal-Pin-Abschnitt ungebunden und liegt im Wesentlichen vom Target „abstehend“ vor. Dadurch wird sichergestellt, dass in einem mittels der Amplifizierungsreaktion entstehenden Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück neben dem ersten Signal-Pin-Abschnitt auch der Signal-Dock-Abschnitt enthalten ist. Das Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück ist somit um den Signal-Dock-Abschnitt verlängert. In the case of a signal dock section that is not complementary to the target, it remains unbound even when the signal recognition section is hybridized to the target together with the first signal pin section, and is essentially "projecting" from the target. This ensures that the signal docking section is contained in a signal nucleic acid oligomer section which is formed by the amplification reaction in addition to the first signal pin section. The signal nucleic acid oligomer portion is thus extended around the signal dock portion.
Da der Signal-Dock-Abschnitt komplementär zu dem Sonden-Dock-Abschnitt der Sonden-Nukleinsäureoligomere ist, ist der potentielle Hybridisierungsbereich zwischen Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück und Sonden-Nukleinsäureoligomer verlängert. Durch diese zusätzlich vorhandenen Signal-Dock- und Sonden-Dock-Abschnitte wird eine schnellere und beständigere Bindung der nachfolgend gebildeten Signaloligonukleotid-Teilstücke an die Sonden-Nukleinsäureoligomere bewirkt und somit die Detektionsgenauigkeit erhöht. Since the signal docking portion is complementary to the probe docking portion of the probe nucleic acid oligomers, the potential hybridization region between signal nucleic acid oligomer portion and probe nucleic acid oligomer is extended. These additional signal dock and probe dock sections cause a faster and more stable binding of the subsequently formed signal oligonucleotide sections to the probe nucleic acid oligomers, thus increasing the detection accuracy.
Die Tatsache, dass der Signal-Dock-Abschnitt nicht zum Target komplementär ist, erweist sich auch aus einem anderen Grund als vorteilhaft. Zum Target komplementäre Signal-Dock-Abschnitte könnten an die einsträngig vorliegenden Target-Nukleinsäureoligomere binden. Da die Signaloligonukleotid-Teilstücke aber durch Bindung an die Sonden-Nukleinsäureoligomere elektrochemisch detektiert werden sollen, ist eine Bindung an die Target-Nukleinsäureoligomere unerwünscht und wird vorteilhafterweise vermieden. The fact that the signal dock portion is not complementary to the target also proves advantageous for another reason. To the target complementary signal dock sections could to the bind single-stranded target nucleic acid oligomers. However, since the signal oligonucleotide sections are to be detected electrochemically by binding to the probe nucleic acid oligomers, binding to the target nucleic acid oligomers is undesirable and is advantageously avoided.
Besonders vorteilhaft stellt der Signal-Dock-Abschnitt eine Variable dar, die den Signal-Erkennungs-Abschnitt der Signal-Nukleisäureoligomere codiert. So können beispielsweise definierte Signal-Dock-Abschnitte in vorgegebener Weise mit einem spezifischen Signal-Erkennungs-Abschnitt gekoppelt werden, so dass eine bestimmte Sequenz des Signal-Dock-Abschnittes einer ganz bestimmten Target-Sequenz entspricht. Most preferably, the signal docking portion is a variable encoding the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers. Thus, for example, defined signal dock sections can be coupled in a predetermined manner with a specific signal detection section, so that a particular sequence of the signal dock section corresponds to a specific target sequence.
Eine parallele Detektion verschiedener Targets mit Hilfe eines DNA-Chips kann auf diese Weise besonders einfach durchgeführt werden. Es muss dazu lediglich eine entsprechende Anzahl verschiedener Sequenzen als Signal-Dock-Abschnitte der Signal-Nukleinsäureoligomere eingesetzt werden. Auf einem DNA-Chip, welcher an verschiedenen Bereichen Sonden-Nukleinsäureoligomere mit einer Anzahl entsprechend unterschiedlicher Sonden-Dock-Abschnitte aufweist, können unterschiedliche Targets detektiert werden. Werden verschiedene Targets in getrennten Experimenten detektiert, so kann dieselbe Sequenz des Signal-Dock-Abschnittes der Signal-Nukleinsäureoligomere in den verschiedenen Ansätzen verwendet werden. A parallel detection of different targets using a DNA chip can be carried out in this way very easily. It only needs a corresponding number of different sequences are used as signal dock sections of the signal nucleic acid oligomers. Different targets can be detected on a DNA chip which has probe nucleic acid oligomers with a number of correspondingly different probe dock sections at different areas. If different targets are detected in separate experiments, the same sequence of the signal dock portion of the signal nucleic acid oligomers can be used in the different approaches.
Bevorzugt sind die Signal-Nukleinsäureoligomere im Bereich des ersten Signal-Pin-Abschnitts und/oder im Bereich des benachbart zu dem Signal-Pin-Abschnitt angeordneten Abschnitts mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert. Falls die Signal-Nukleinsäureoligomere zusätzlich einen Signal-Dock-Abschnitt- aufweisen, der benachbart zum ersten Signal-Pin-Abschnitt angeordnet ist, kann das redoxaktive Detektionslabel gleichwertig an einen der beiden genannten Abschnitte gebunden sein. Nach Bildung der kurzen Signaloligonukleotid-Teilstücke durch die Polymerase mit Exonukleaseaktivität sind beide genannten Abschnitte Bestandteil der Signaloligonukleotid-Teilstücke, die nachfolgend an die Sonden-Nukleinsäureoligomere hybridisieren und so detektiert werden. The signal nucleic acid oligomers are preferably modified in the region of the first signal pin section and / or in the region of the section arranged adjacent to the signal pin section with at least one redox-active detection label. In addition, if the signal nucleic acid oligomers have a signal dock portion located adjacent to the first signal pin portion, the redox active detection label may be equivalently bonded to one of the two portions. After formation of the short signal oligonucleotide sections by the polymerase with exonuclease activity, both sections mentioned are part of the signal oligonucleotide sections which subsequently hybridize to the probe nucleic acid oligomers and thus be detected.
In Abhängigkeit der Nukleotidsequenz und der Basenlänge der beiden genannten Abschnitte kann beispielsweise aus sterischen Gründen oder aus Gründen der Kopplungschemie einer der beiden genannten Abschnitte besser für die Modifizierung geeignet sein als der andere. Je nach Anwendungsart und je nach Art der Signal-Nukleinsäureoligomere kann die optimale Wahl zur Modifikation getroffen werden. Depending on the nucleotide sequence and the base length of the two sections mentioned, for steric reasons or for reasons of coupling chemistry, one of the two mentioned sections may be better suited for the modification than the other. Depending on the application and depending on the type of signal nucleic acid oligomers, the optimal choice for modification can be made.
Zur Sensitivitätserhöhung können einer der beiden genannten Abschnitte oder auch beide Abschnitte mit mehreren Detektionslabel modifiziert sein. To increase the sensitivity of one of the two sections mentioned or even both sections may be modified with several detection label.
Besonders bevorzugt weisen die zwei Signal-Pin-Abschnitte der Signal-Nukleinsäureoligomere jeweils 4 bis 10 Basen, bevorzugt 5 bis 8 Basen auf. Die genannte Zahl an Basen stellt zum einen sicher, dass unter Normalbedingungen der weit überwiegende Teil der Signal-Nukleinsäureoligomere als Hairpin vorliegt, und zum anderen, dass die Schmelztemperatur des Hairpins im Bereich der bei der Nukleinsäureamplifikation angewendeten Temperaturen liegt. Particularly preferably, the two signal-pin sections of the signal nucleic acid oligomers each have 4 to 10 bases, preferably 5 to 8 bases. The stated number of bases ensures, on the one hand, that the predominant part of the signal nucleic acid oligomers is present as hairpin under normal conditions and, on the other hand, that the melting temperature of the hairpin is in the range of the temperatures used in the nucleic acid amplification.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Signal-Erkennungs-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere innerhalb des Loop-Bereichs der Hairpin-Struktur zwischen den Signal-Pin-Abschnitten angeordnet. Besonders vorteilhaft ist der Signal-Erkennungsabschnitt im loop-Bereich des Hairpins angeordnet. Für den Loop-Bereich eines Hairpins bestehen sowohl bezogen auf die Basenlänge als auch auf die Basenabfolge größere Variationsmöglichkeiten, wodurch ganz unterschiedliche und spezifische Signal-Erkennungs-Abschnitte in unterschiedlichen Längen in den Loop-Bereich integriert werden können. According to another preferred embodiment of the present invention, the signal recognition portion of the signal nucleic acid oligomers is disposed within the loop portion of the hairpin structure between the signal pin portions. Particularly advantageously, the signal recognition section is arranged in the loop area of the hairpin. For the loop area of a hairpin, both the base length and the base sequence offer greater possibilities of variation, as a result of which very different and specific signal recognition sections in different lengths can be integrated into the loop area.
Zwar ist eine Bindung der Signal-Nukleinsäureoligomere an das Target in ihrer offenkettigen Form erwünscht, da besonders in diesem Fall die Polymerase in reproduzierbarem Ausmaß Signaloligonukleotid-Teilstücke bildet, jedoch findet sich ein weiterer Vorteil der genannten Ausführungsform darin, dass der Loop-Bereich immer einzelsträngig ist und daher eine Bindung des Signal-Oligomers an das Target auch dann möglich ist, wenn das Signal-Oligomer als Hairpin vorliegt. Dies gilt nur bei Vernachlässigung sterischer Hinderungsgründe. Je nach Platzierung der Erkennunssequenz innerhalb des Loops ist ein korrektes Schneiden durch die Exonukleaseaktivität der Polymerase während der Amplifizierung auch im Fall eines Hybrids aus Hairpin und Target denkbar. Spätestens bei einem darauffolgenden Denaturierungsschritt zerfällt der Pin-Abschnitt des Hairpins, wodurch das Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück freigesetzt wird und für eine Detektion an der modifizierten Oberfläche zur Verfügung steht. Although binding of the signal nucleic acid oligomers to the target in its open-chain form is desirable, since in this case the polymerase forms signal oligonucleotide segments to a reproducible extent, however, a further advantage of said embodiment is that the loop region is always single-stranded and, therefore, binding of the signal oligomer to the target is possible even when the signal oligomer is hairpin. This applies only if neglecting steric hindrance. Depending on the placement of the recognition sequence within the loop, correct cleavage by the exonuclease activity of the polymerase during amplification is also conceivable in the case of a hybrid of hairpin and target. At the latest in a subsequent denaturation step, the pin portion of the hairpin disintegrates, releasing the signal nucleic acid oligomer portion and being available for detection at the modified surface.
Bevorzugt ist der zweite Signal-Pin-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere nicht zu den Target-Nukleinsäureoligomeren komplementär. Da gemäß der genannten Ausführungsform der zweite Signal-Pin-Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere nicht komplementär zur Targetsequenz ist, kann die Polymerase vorteilhafterweise nicht an das Signaloligo andocken und von da aus den Strang verlängern, was zu unerwünschten Nebenprodukten führen könnte. Preferably, the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target nucleic acid oligomers. According to the said embodiment, since the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is not complementary to the target sequence, the polymerase advantageously can not dock to the signal oligo and from there extend the strand, which could lead to unwanted by-products.
Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, gemäß denen das freie Ende des zweiten Signal-Pin-Abschnitts der Signal-Nukleinsäureoligomere durch ein Nukleotid gebildet wird, das ein invertiertes Nukleosid oder ein di-desoxy-Nukleosid aufweist. Besonders vorteilhaft wird gemäß dieser Ausführungsform eine Kettenverlängerung am Signal-Nukleinsäureoligomer verhindert und dadurch die Bildung unerwünschter Nebenprodukte vermieden. Also preferred are embodiments according to which the free end of the second signal pin portion of the signal nucleic acid oligomers is formed by a nucleotide having an inverted nucleoside or a di-desoxy nucleoside. Particularly advantageous according to this embodiment, a chain extension on the signal nucleic acid oligomer is prevented, thereby avoiding the formation of undesirable by-products.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Sonden-Nukleinsäureoligomere in ihren Sonden-Pin-Abschnitten und/oder in ihren Sonden-Dock-Abschnitten zumindest ein Nukleotid auf, das nicht komplementär zu den entsprechenden Signal-Pin-Abschnitten und Signal-Dock-Abschnitten der Signal-Nukleinsäureoligomere oder der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke ist. According to a further preferred embodiment of the present invention, the probe nucleic acid oligomers in their probe pin sections and / or in their probe dock sections have at least one nucleotide that is not complementary to the corresponding signal pin sections and signal dock Sections of the signal nucleic acid oligomers or the signal nucleic acid oligomer sections.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Bindung der Signaloligonukleotid-Teilstücke an die Sondenoligonukleotide detektiert. Ein störendes Hintergrundsignal kann sich dadurch ergeben, dass Hairpin-Signaloligonukleotide an die Sondenoligonukleotide binden. Eine bessere Unterscheidung zwischen Signaloligonukleotid-Teilstücken und Hairpin-Signaloligonukleotiden kann dadurch erzielt werden, dass die Sondenoligonukleotide in dem/den Sonden-Pin- und Sonden-Dock-Abschnitt/Abschnitten eine, zwei oder mehrere Basen enthalten, die nicht komplementär zu den entsprechenden Signal-Pin- und Signal-Dock-Abschnitten des Signaloligonukleotids sind. Aufgrund dieser so genannten Mismatches entsteht bei Anbindung von Hairpin-Signaloligonukleotiden und Signaloligonukleotid-Teilstücken an diesen Basen ein sogenanntes „Gap“, das sich stark negativ auf die Anhybridisierung von Hairpin-Signaloligonukleotiden auswirkt, aber nur wenig negativ auf die Anhybridisierung von Signaloligonukleotid-Teilstücken. Damit wird die Bindungskonstante der Hairpin-Signaloligonukleotide an die Sondenoligonukleotide deutlich stärker herabgesetzt als die Bindungskonstante der Signaloligonukleotid-Teilstücke an die Sondenoligonukleotide, wodurch sich ein verstärkter Unterschied zwischen den entsprechenden Signalintensitäten ergibt. In the method according to the invention, the binding of the signal oligonucleotide sections to the probe oligonucleotides is detected. An interfering background signal can result from the fact that hairpin signal oligonucleotides bind to the probe oligonucleotides. A better discrimination between signal oligonucleotide sections and hairpin signal oligonucleotides can be achieved by having the probe oligonucleotides in the probe pin and probe dock section (s) contain one, two or more bases that are not complementary to the corresponding signal Pin and signal dock portions of the Signaloligonukleotids are. Due to these so-called mismatches, when hairpin signal oligonucleotides and signal oligonucleotide segments are attached to these bases, a so-called "gap" is produced, which has a great negative effect on the hybridization of hairpin signal oligonucleotides, but has little negative effect on the hybridization of signal oligonucleotide segments. Thus, the binding constant of the hairpin signal oligonucleotides to the probe oligonucleotides is significantly more reduced than the binding constant of the signal oligonucleotide portions to the probe oligonucleotides, resulting in an increased difference between the corresponding signal intensities.
Ein entsprechendes Diskriminierungs-erhöhendes Verhalten an der Sonde lässt sich auch erzielen, wenn die Sonde in dem/den zu den Signaloligonukleotiden komplementären Bereich/Bereichen um eine, zwei oder mehrere Basen kürzer ist als der entsprechende Bereich des Hairpin-Signaloligonukleotids oder Signaloligonukleotid-Teilstücks. A corresponding discrimination-enhancing behavior at the probe can also be achieved if the probe in the region (s) complementary to the signal oligonucleotides is one, two or more bases shorter than the corresponding region of the hairpin signal oligonucleotide or signal oligonucleotide segment.
Bevorzugt erfolgt die Detektion der gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke in dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine elektrochemische Detektionsmethode bei einer Temperatur TDET zwischen 20 °C und 60 °C, bevorzugt zwischen 30 °C und 50 °C. Bei den genannten Temperaturen ist eine besonders genaue und reproduzierbare Detektion der Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücke möglich. In the method according to the invention, the detected signal nucleic acid oligomer portions are preferably detected by an electrochemical detection method at a temperature T DET between 20 ° C and 60 ° C, preferably between 30 ° C and 50 ° C. At the temperatures mentioned, a particularly accurate and reproducible detection of the signal nucleic acid oligomer sections is possible.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Amplifizierung der Target-Nukleinsäureoligomere durch eine PCR oder durch eine isothermale Amplifikation. Insbesondere die PCR stellt eine etablierte Methode dar, durch die eine weitestgehend fehlerfreie Amplifikation der Target-Nukleinsäureoligomere sichergestellt werden kann. According to a particularly preferred embodiment of the present invention, the amplification of the target nucleic acid oligomers is carried out by a PCR or by an isothermal amplification. In particular, the PCR is an established method by which a largely error-free amplification of the target nucleic acid oligomers can be ensured.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Signal-Nukleinsäureoligomer zur Verwendung in einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Signal-Nukleinsäureoligomer einen ersten und einen zweiten unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementäre Signal-Pin-Abschnitt aufweist und das Signal-Nukleinsäureoligomer im Bereich der zwei unter Ausbildung einer Hairpin-Struktur zueinander komplementären Signal-Pin-Abschnitte mit zumindest einem redoxaktiven Detektionslabel modifiziert ist. The present invention also encompasses a signal nucleic acid oligomer for use in a method according to the invention, wherein the signal nucleic acid oligomer has a first and a second signal pin section complementary to each other to form a hairpin structure and the signal nucleic acid oligomer in the range of two Forming a hairpin structure mutually complementary signal pin sections is modified with at least one redox-active detection label.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem einen Kit zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend eine oben beschriebene modifizierte Oberfläche, eine effektive Menge an Signal-Nukleinsäureoligomeren wie sie oben beschrieben sind und eine Reaktionslösung zur Durchführung einer Nukleinsäureamplifikation, wobei die Reaktionslösung zumindest Nukleotide, Primer und wenigstens eine Art von Nukleinsäure-Polymerase mit Exonuklease-Aktivität enthält. The present invention also encompasses a kit for carrying out a method according to the invention comprising a modified surface as described above, an effective amount of signal nucleic acid oligomers as described above and a reaction solution for carrying out a nucleic acid amplification, wherein the reaction solution comprises at least nucleotides, primers and at least one species of nucleic acid polymerase having exonuclease activity.
Die leitfähige Oberfläche The conductive surface
Mit dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird jedes elektrisch leitfähige Trägermaterial bezeichnet, das geeignet ist direkt oder nach entsprechender chemischer Modifizierung derivatisierte oder nicht-derivatisierte Sonden-Nukleinsäureoligomere kovalent oder über andere spezifische Wechselwirkungen zu binden. The term "conductive surface" refers to any electrically conductive support material which is suitable for binding derivatized or non-derivatized probe nucleic acid oligomers covalently or via other specific interactions, directly or after appropriate chemical modification.
Es kann jeder Träger mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche beliebiger Dicke eingesetzt werden insbesondere Oberflächen aus Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium und Mangan. Besonders bevorzugt wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine mit Gold beschichtete Oberfläche verwendet. Any carrier with an electrically conductive surface of any thickness can be used, in particular surfaces of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese. Particularly preferred in the context of the present invention, a gold-coated surface is used.
Daneben können auch beliebige dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen beliebiger Dicke verwendet werden. Sämtliche Halbleiter können als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden. Als Beispiele seien an dieser Stelle Kohlenstoff, Silizium, Germanium, 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. In addition, any doped or non-doped semiconductor surfaces of any thickness can be used. All semiconductors can be used as pure substances or as mixtures. Examples which may be mentioned here are carbon, silicon, germanium, α-tin, Cu (I) and Ag (I) halides of any desired crystal structure. Also suitable are all binary compounds of any composition and any structure of the elements of groups 14 and 16, the elements of
Bindung von Nukleinsäureoligomeren an die Oberfläche Binding of nucleic acid oligomers to the surface
Verfahren zur Immobilisierung von Nukleinsäureoligomeren an einer Oberfläche sind dem Fachmann bekannt. Die Sonden-Nukleinsäureoligomere können z.B. kovalent über Hydroxyl-, Epoxid-, Amino- oder Carboxygruppen des Trägermaterials mit natürlicherweise am Nukleinsäureoligomer vorhandenen oder durch Derivatisierung am Sonden-Nukleinsäureoligomer angebrachten Hydroxy-, Amino- oder Carboxylgruppen an die Oberfläche gebunden werden. Alternativ können Thiol-modifizierte Sonden-Nukleinsäureoligomere chemisorptiv an z.B. Goldoberflächen gebunden werden. Das Sonden-Nukleinsäureoligomer kann direkt oder über einen Linker/Spacer an die Oberflächenatome oder -molekülen einer Oberfläche gebunden werden. Daneben kann das Sonden-Nukleinsäureoligomer durch die bei Immunoassays üblichen Methoden verankert werden wie z.B. durch Verwendung von biotinylierten Sonden-Nukleinsäureoligomeren zur nicht-kovalenten Immobilisierung an Avidin oder Streptavidin-modifizierten Oberflächen. Die chemische Modifikation der Sonden-Nukleinsäureoligomere mit einer Oberflächen-Ankergruppe kann bereits im Verlauf der automatisierten Festphasensynthese oder aber in gesonderten Reaktionsschritten eingeführt werden. Dabei wird auch das Nukleinsäureoligomer direkt oder über einen Linker/Spacer mit den Oberflächenatomen oder -molekülen einer Oberfläche der oben beschriebenen Art verknüpft. Diese Bindung kann auf verschiedene dem Fachmann bekannte Arten durchgeführt werden. In diesem Zusammenhang wird auf die
Daneben ist eine Sondenimmobilisierung auf einem DNA-Chip in P. Liepold, T. Kratzmüller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, S. 1759–1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practical Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis detailliert beschrieben. In addition, probe immobilization on a DNA chip is described in P. Liepold, T. Kratzmuller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, pp. 1759-1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practical Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis is described in detail.
Sonden-, Target- und Signal-Nukleinsäureoligomere Probe, target and signal nucleic acid oligomers
Die Sonden-Nukleinsäureoligomere der vorliegenden Erfindung bestehen aus Nukleotiden in einer bestimmten Nukleotidabfolge (Sequenz) und liegen an einer Oberfläche immobilisiert vor. Als Target-Nukleinsäureoligomere werden Moleküle bezeichnet, die spezifisch mit den Signal-Nukleinsäureoligomeren unter Ausbildung eines Doppelstrang-Hybrids wechselwirken. Target-Nukleinsäureoligomere im Sinne der vorliegenden Erfindung sind also Nukleinsäureoligomere, die als Komplexbindungspartner des komplementären Signal-Nukleinsäureoligomers fungieren. Die Target-Nukleinsäureoligomere, deren Vorhandensein anhand der vorliegenden Erfindung detektiert werden soll, weisen zumindest einen Sequenzbereich auf, dessen Sequenz komplementär oder zumindest weitgehend komplementär zu einem Abschnitt der Signal-Nukleinsäureoligomere ist. The probe nucleic acid oligomers of the present invention consist of nucleotides in a particular nucleotide sequence (sequence) and are immobilized on a surface. Target nucleic acid oligomers refers to molecules that specifically interact with the signal nucleic acid oligomers to form a double-stranded hybrid. Target nucleic acid oligomers within the meaning of the present invention are therefore nucleic acid oligomers which function as complex binding partners of the complementary signal nucleic acid oligomer. The target nucleic acid oligomers whose presence is to be detected by the present invention have at least one sequence region whose sequence is complementary or at least substantially complementary to a portion of the signal nucleic acid oligomers.
Als Nukleinsäureoligomer oder ns-Oligomer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Nukleotiden oder aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Pyrimidin- (z.B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z.B. Adenin oder Guanin), bevorzugt ein DNA-, RNA- oder PNA-Fragment, verwendet. Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges “Rückgrat“ der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z.B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Rückgrat-Strukturen, wie z.B. ein Thio-Phosphat-, ein Dithio-Phosphat- oder ein Phosphoramid-Rückgrat. Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die sequenzspezifische Bindung natürlich vorkommender DNA, oder RNA bzw. daraus abgeleitete (transkribierte oder amplifizierte) Strukturen wie cDNA oder amplifizierte cDNA oder amplifizierte RNA (aRNA). In the context of the present invention, a nucleic acid oligomer or ns-oligomer is a compound of at least two covalently linked nucleotides or of at least two covalently linked pyrimidine (eg cytosine, thymine or uracil) or purine bases (eg adenine or guanine), preferably a DNA , RNA or PNA fragment. The term nucleic acid refers to any " Backbone of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous backbone structures, such as a thio-phosphate Dithio phosphate or a phosphoramide backbone. An essential feature of a nucleic acid according to the present invention is the sequence-specific binding of naturally occurring DNA, or RNA or derived (transcribed or amplified) structures such as cDNA or amplified cDNA or amplified RNA (aRNA).
Bei den Signal-Nukleinsäureoligomeren im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich um Nukleinsäure-Hairpinstrukturen. Hairpins sind eine spezielle Form von Sekundärstrukturen von Nukleinsäuren und entstehen dadurch, dass ein Sequenzabschnitt eines einzelsträngigen DNA- oder RNA-Moleküls mittels einer „Schleifenbildung“ auf einen komplementären Bereich im selben Molekül unter Ausbildung eines kleinen doppelsträngigen Abschnitts zurückfalten kann. Bei Normalbedingungen ist die Bildung von Hairpins in entsprechenden Nukleinsäuremolekülen thermodynamisch begünstigt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Hairpins immer zu einem gewissen Anteil in der geschlossenen Form, also der Hairpin-Form und zu einem gewissen Anteil in der offenen, also einzelsträngigen Form vorliegen, es stellt sich ein thermodynamisches Gleichgeweicht ein. Das Verhältnis von geschlossener zu offener Form wird beispielsweise durch die Temperatur beeinflusst, so liegen zum Beispiel bei der Schmelztemperatur TPIN jeweils die Hälfte der Moleküle geschlossen bzw. offen vor. Die Schmelztemperatur selbst hängt wiederum von der Sequenz der den Pin bzw. Stem ausbildenden komplementären Abschnitte, von deren GC-Gehalt, deren Länge und dergleichen ab. The signal nucleic acid oligomers in the context of the present invention are nucleic acid hairpin structures. Hairpins are a special form of secondary structure of nucleic acids and arise because a sequence segment of a single-stranded DNA or RNA molecule can fold back onto a complementary region in the same molecule to form a small double-stranded portion. Under normal conditions, the formation of hairpins in corresponding nucleic acid molecules is thermodynamically favored. It should be noted at this point that hairpins are always present to a certain extent in the closed form, so the hairpin shape and to a certain extent in the open, so single-stranded form, it adjusts itself to a thermodynamic equilibrium. The ratio of closed to open form is influenced, for example, by the temperature, for example, half of the molecules are closed or open at the melting temperature T PIN . The melting temperature itself, in turn, depends on the sequence of the complementary sections forming the pin or stem, their GC content, their length and the like.
Detektions-Label / Markierung (Markermolekül) Detection label / marker (marker molecule)
Die Signal-Nukleinsäureoligomere sind durch Derivatisierung mit einem oder mehreren detektierbaren redoxaktiven Substanzen als Label ausgestattet. Dieses Label ermöglicht die Detektion der Komplexierungsereignisse zwischen den in dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildeten Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstücken und den oberflächengebundenen Sonden-Nukleinsäureoligomeren. The signal nucleic acid oligomers are labeled by derivatization with one or more detectable redox-active substances. This label enables the detection of the complexing events between the signal nucleic acid oligomer sections formed in the method according to the invention and the surface-bound probe nucleic acid oligomers.
Als Redoxlabel können Übergangsmetall-Komplexe, insbesondere solche des Kupfers, Eisens, Rutheniums, Osmiums oder Titans mit Liganden wie Pyridin, 4,7-Dimethylphenanthrolin, 9,10-Phenanthrenquinondiimin, Porphyrine und substituierte Porphyrin-Derivate verwendet werden. Daneben ist der Einsatz von Riboflavin, von Chinonen wie Pyrrollochinolinochinon, Ubichinon, Anthrachinon, Naphtochinon oder Menachinon bzw. Derivaten davon, von Metallocenen und Metallocenderivaten wie Ferrocenen und Ferrocenderivaten, Cobaltocenen und Cobaltocenderivaten, von Porphyrinen, Methylenblau, Daunomycin, Dopamin-Derivaten, Hydrochinon-Derivaten (para- oder ortho-Dihydroxy-Benzol-Derivaten, para- oder ortho-Dihydroxy-Anthrachinon-Derivaten, para- oder ortho-Dihydroxy-Naphtochinon-Derivaten) und ähnlichen Verbindungen möglich. Besonders bevorzugt wird Ferrocen oder ein Ferrocen-Derivat als redoxaktives Label eingesetzt. As a redox label transition metal complexes, in particular those of copper, iron, ruthenium, osmium or titanium with ligands such as pyridine, 4,7-dimethylphenanthroline, 9,10-phenanthrenquinonediimine, porphyrins and substituted porphyrin derivatives can be used. In addition, the use of riboflavin, of quinones such as pyrroloquinolinequinone, ubiquinone, anthraquinone, naphthoquinone or menaquinone or derivatives thereof, of metallocenes and metallocene derivatives such as ferrocenes and ferrocene derivatives, cobaltocenes and cobaltocene derivatives, of porphyrins, methylene blue, daunomycin, dopamine derivatives, hydroquinone Derivatives (para- or ortho-dihydroxy-benzene derivatives, para or ortho-dihydroxy-anthraquinone derivatives, para- or ortho-dihydroxy-naphthoquinone derivatives) and similar compounds possible. Particular preference is given to using ferrocene or a ferrocene derivative as the redox-active label.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch indirekte Label verwendet werden. Unter dem Begriff „indirekte Label“ werden solche verstanden, bei denen die eigentlich detektierbare Form des Labels erst über eine enzymkatalysierte Reaktion ensteht. Die detektierbare Form des Labels kann dann an der Oberfläche detektiert werden. Beispiele für solche indirekten Label sind dem Fachmann aus der Literatur bekannt, exemplarisch sei hier alkalische Phosphatase (AP) in Verbindung mit dem Substrat p-Aminophenylphosphat genannt. Liegt AP als indirekter Marker an das Signal-Nukleinsäureoligomer gebunden vor, so kann eine elektrochemische Detektion des Signal-Nukleinsäureoligomers dadurch erfolgen, dass zum Zeitpunkt der Detektion p-Aminophenylphosphat zugegeben wird. Das elektrochemisch inaktive p-Aminophenylphosphat dient als Substrat des Enzyms AP und wird in p-Aminophenol umgewandelt. p-Aminophenol kann nun, nach Diffusion zu einer leitfähigen Oberfläche, elektrochemisch detektiert werden, da diese Form des Substrats (also nach Umsetzung am AP) elektrochemisch aktiv ist. Alternativ kann AP auch zur chromogenen Detektion verwendet werden (z.B. mit 5-Brom-4-chlor-3-indoxylphosphat in Verbindung mit Nitroblau-Tetrazoliumchlorid). Indirect labels can also be used in the process according to the invention. The term "indirect label" is understood to mean those in which the actually detectable form of the label is formed only via an enzyme-catalyzed reaction. The detectable shape of the label can then be detected on the surface. Examples of such indirect labels are known to the person skilled in the literature, examples being alkaline phosphatase (AP) in connection with the substrate called p-aminophenyl phosphate. If AP is bound to the signal nucleic acid oligomer as an indirect marker, electrochemical detection of the signal nucleic acid oligomer can be effected by adding p-aminophenyl phosphate at the time of detection. The electrochemically inactive p-aminophenyl phosphate serves as a substrate of the enzyme AP and is converted into p-aminophenol. After diffusion to a conductive surface, p-aminophenol can now be detected electrochemically, since this form of the substrate (ie after conversion at the AP) is electrochemically active. Alternatively, AP may also be used for chromogenic detection (e.g., with 5-bromo-4-chloro-3-indoxyl phosphate in conjunction with nitroblue tetrazolium chloride).
Oberflächensensitive elektrochemische Detektionsmethoden Surface-sensitive electrochemical detection methods
Bei elektrochemischen Methoden kann anhand der Kinetik der elektrochemischen Prozesse prinzipiell zwischen an eine Oberfläche adsorbierten und im Überstand gelösten redoxaktiven Detektionslabel unterschieden werden. Oberflächenadsorbierte Detektionslabel werden im allgemeinen schneller elektrochemisch umgesetzt (z.B. oxidiert oder reduziert) als redoxaktive Detektionslabel aus der Volumenphase, da letztere vor der elektrochemischen Umsetzung erst zur (Elektroden-)Oberfläche diffundieren müssen. Als Beispiele für elektrochemische oberflächensensitive Methoden seien die Cyclovaltammetrie, die Amperometrie und die Chronocoulometrie genannt. In the case of electrochemical methods, the kinetics of the electrochemical processes can in principle be used to distinguish between redox-active detection labels adsorbed on a surface and dissolved in the supernatant. Surface adsorbed detection labels are generally more rapidly electrochemically reacted (e.g., oxidized or reduced) as the redox-active, volume phase detection label since the latter must first diffuse to the (electrode) surface prior to electrochemical conversion. As examples of electrochemical surface-sensitive methods, cyclovalentammetry, amperometry and chronocoulometry are mentioned.
Die Methode der Chronocoulometrie z.B. erlaubt es, oberflächennahe redoxaktive Komponenten von (identischen) redoxaktiven Komponenten in der Volumenphase zu unterscheiden und ist z.B. in Steel, A.B., Herne, T.M. und Tarlov M.J.: Electrochemical Quantitation of DNA Immobilized on Gold, Analytical Chemistry, 1998, Vol. 70, 4670–4677 und darin zitierten Literaturstellen beschrieben. Der Einsatz der Chronocoulometrie in einem Verdrängungsassay zur Detektion von Nukleinsäureoligomerhybridisierungsereignissen ist detailliert in der
Eine elektochemische Messvariante von Hybridisierungsereignissen unter Verwendung eines DNA-Chips ist in P. Liepold, T. Kratzmüller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, S. 1759–1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practical Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis beschrieben. An electrochemical measurement variant of hybridization events using a DNA chip is described in P. Liepold, T. Kratzmüller, N. Persike, M. Bandilla, M. Hinz, H. Wieder, H. Hillebrandt, E. Ferrer, G. Hartwich (2008 ), Analytical and Bioanalytical Chemistry, Vol. 391, pp. 1759-1772, Electrically Detected Displacement Assay (EDDA): A Practical Approach to Nucleic Acid Testing in Clinical or Medical Diagnosis.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zur elektrochemischen Detektion Cyclovoltammetrie, Amperometrie, Chronocoulometrie, Impedanzmessung oder Scanning Electrochemical Microscopy (SECM) eingesetzt. Die genannten Methoden erlauben eine genaue und sichere Detektion der Hybridisierungsereignisse. According to a preferred embodiment of the present invention, cyclic voltammetry, amperometry, chronocoulometry, impedance measurement or scanning electrochemical microscopy (SECM) are used for electrochemical detection. The methods mentioned allow an accurate and reliable detection of the hybridization events.
Sämtliche im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahren können unter Verwendung von DNA-Chips durchgeführt werden. In diesem Fall weist die modifizierte Oberfläche zumindest 2 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche, bevorzugt zumindest 4 und insbesondere zumindest 12 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche auf. All methods described in the context of the present invention can be carried out using DNA chips. In this case, the modified surface has at least 2 spatially substantially separated regions, preferably at least 4 and in particular at least 12 spatially substantially separated regions.
Unter "räumlich im Wesentlichen abgetrennten Bereichen" werden Bereiche der Oberfläche verstanden, die ganz überwiegend durch Anbindung einer bestimmten Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren modifiziert sind. Lediglich in Gebieten, in denen zwei solche räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche aneinander grenzen, kann es zu einer Vermischung von verschiedenen Arten von Sonden-Nukleinsäureoligomeren kommen. By "spatially substantially separated regions" is meant areas of the surface which are predominantly modified by attachment of a particular type of probe nucleic acid oligomer. Only in areas where two such spatially substantially separated regions are contiguous may a mixture of different types of probe nucleic acid oligomers occur.
Ganz besonders bevorzugt weist die modifizierte Oberfläche zumindest 32, insbesondere zumindest 64, ganz besonders bevorzugt zumindest 96 räumlich im Wesentlichen abgetrennte Bereiche auf. Most preferably, the modified surface has at least 32, in particular at least 64, most preferably at least 96 spatially substantially separated areas.
Die in Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellte modifizierte Oberfläche weist bevorzugt eine Fläche von 1 µm2 bis zu 1 mm2, besonders bevorzugt eine Fläche von 10 µm2 bis zu 100 µm2 und insbesondere bevorzugt eine Fläche von rund 50 µm2 auf. The modified surface provided in step a) of the method according to the invention preferably has an area of 1 μm 2 to 1 mm 2 , more preferably an area of 10 μm 2 to 100 μm 2 and particularly preferably an area of about 50 μm 2 .
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist in jeweils einem der räumlich im Wesentlichen abgetrennten Bereiche der Oberfläche jeweils eine Art von Sonden-Nukleinsäureoligomeren an die Oberfläche gebunden, wobei sich die verschiedenen Arten von Sonden-Nukleinsäureoligomeren in zumindest einer Base voneinander unterscheiden. Dies erlaubt die parallele Detektion einer Vielzahl verschiedener Arten von Target-Nukleinsäureoligomeren. According to a further, particularly preferred embodiment, in each case one of the spatially substantially separated regions of the surface is bound one respective type of probe nucleic acid oligomer to the surface, the different types of probe nucleic acid oligomers differing in at least one base from one another. This allows the parallel detection of a variety of different types of target nucleic acid oligomers.
Ein CMOS-basierter DNA-Chip für elektrochemische Detektion der Hybridisierung zwischen Sonde und Signaloligonukleotid ist z.B. in Augustyniak, M.; Paulus, C.; Brederlow, R.; Persike, N.; Hartwich, G.; Schmitt-Landsiedel, D.; Thewes, R. (2006), Solid-State Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 59–68 A 24 × 16 CMOS-Based Chronocoulometric DNA Microarray beschrieben. A CMOS-based DNA chip for electrochemical detection of hybridization between probe and signal oligonucleotide is e.g. in Augustyniak, M .; Paul, C .; Brederlow, R .; Persike, N .; Hartwich, G .; Schmitt-Landsiedel, D .; Thewes, R. (2006), Solid State Circuits, 2006 IEEE International Conference Digest of Technical Papers, 59-68 A 24 × 16 CMOS-Based Chronoculometric DNA Microarray.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen The invention will be explained in more detail with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Show it
Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention
Elektrisch detektierte Real-Time PCR (eRT-PCR) Electrically detected Real-Time PCR (eRT-PCR)
Zu einem PCR-Ansatz werden Signaloligonukleotide gegeben, die zum einen zu Sondenoligonukleotiden, die auf einer Teststelle eines DNA-Chips immobilisiert sind, und zum anderen zu den Target-Oligonukleotiden (einem Sequenzbereich des Templates bzw. des über PCR zu amplifizierenden DNA-Abschnitts) komplementär sind. For a PCR approach Signaloligonukleotide are given, which are on the one hand to probe oligonucleotides immobilized on a test site of a DNA chip, and on the other hand to the target oligonucleotides (a sequence region of the template or PCR to be amplified by PCR section) are complementary.
In den
Die Signaloligonukleotide
Der Loop-Bereich der Signaloligonukleotide
Die
Die für den in
Bei geeigneter Konstruktion des Hairpin-Signaloligonukleotids kann T auch kleiner als TPin sein, wenn gewährleistet ist, dass zumindest ein Bruchteil der Signaloligos
Das kovalent gebundene redoxaktive Label, insbesondere Ferrocen
In Tabelle 1 sind die für die folgenden eRT-PCR Experimente verwendeten Primer, Sonden-, Signal- und Target-Oligonukleotide zusammengestellt. Tabelle 1: 5’-3’ Sequenzen der in Fig. 1 und 2 skizzierten Oligonukleotide. * (hybridisierbare Sondensequenz in Kleinbuchstaben, Spacer in Großbuchstaben, Gap klein und kursiv sowie Mismatches klein und fett gedruckt) Table 1 summarizes the primers, probe, signal and target oligonucleotides used for the following eRT-PCR experiments. Table 1: 5'-3 'sequences of the oligonucleotides outlined in FIGS. 1 and 2. * (hybridisable probe sequence in lowercase letters, spacer in capital letters, Gap small and italics, and mismatches small and bold)
Mit zunehmendem Fortgang der PCR-Reaktion laufen die mit
Die
Durchführung einer Real-Time PCR am Beispiel Her-2 PCR (Her-2 = cDNA des human epidermal growth factor receptor 2) Real-time PCR performed on the example of Her-2 PCR (Her-2 = human epidermal
Die Sequenzen der wesentlichen PCR-Komponenten sind in Tabelle 1 aufgelistet. The sequences of the essential PCR components are listed in Table 1.
Der Mastermix für die PCR Reaktion zur Amplifikation einer Zielsequenz von Her-2 (Template-Menge ca. 103 Kopien) enthält entsprechende Primer (10 µM), den dNTP-Mix (je dNTP 25 µM) und MgAc (3 mM) in einem Standard PCR-Puffer (5 × Bicin Puffer, 250 mM Bicin/KOH, pH 8.2; 575 mM K-Acetat, 40% Glycerol (v/v), Bicine = N,N-Bis(2-hydroxyethyl) Glycin). Zu diesem Mastermix werden das Template und Signaloligonukleotide (50nM), sowie Kontroll-Signaloligonukleotide (50 nM), die vollständig nicht-komlementär zu DNA-Sequenzen der Template-Lösung sind, gegeben. Unmittelbar vor Start der PCR-Reaktion wird PCR-Polymerase mit Exonuklease-Aktivität zugefügt und die Lösung in eine PCR-Kartusche gefüllt. The master mix for the PCR reaction for the amplification of a target sequence of Her-2 (template amount about 10 3 copies) contains corresponding primers (10 μM), the dNTP mix (per dNTP 25 μM) and MgAc (3 mM) in one Standard PCR Buffer (5X Bicin Buffer, 250mM Bicin / KOH, pH 8.2, 575mM K-Acetate, 40% Glycerol (v / v), Bicine = N, N-Bis (2-hydroxyethyl) Glycine). To this mastermix are added the template and signal oligonucleotides (50 nM), as well as control signal oligonucleotides (50 nM), which are completely non-complementary to DNA sequences of the template solution. Immediately before starting the PCR reaction, PCR polymerase with exonuclease activity is added and the solution filled into a PCR cartridge.
Funktion und Aufbau der PCR-Kartusche und eines PCR-Cyclers sind in der
Zur Durchführung der PCR wird die PCR-Kartusche in einem PCR-Cycler angeordnet. Der PCR-Cycler besteht aus 3 Heizblöcken aus einem gut wärmeleitfähigen Material (z.B. Aluminium). Mittels Peltierelementen bzw. Heizmatten, Platinwiderstand zur Temperaturmessung und einer geeigneten Regelelektronik (PID-Regler) werden die Heizblöcke auf die für die PCR-Reaktion nötige Temperatur gebracht. Jeder Block enthält einen Spalt, in den die PCR-Kartusche eingeführt wird. Ober- und unterhalb der Kartusche befindet sich im Bereich des DNA-Chips ein weiterer Heizblock, um die Chiptemperatur unabhängig von der Temperatur für die PCR-Reaktion im Reaktionskanal einzustellen. Dieser zentrische Heizblock dient gleichzeitig zur Vermittelung der Rotationsbewegung der PCR-Kartusche und der Kontaktierung des DNA-Chips in der Kartusche. Durch eine geeignete Wahl der Blockgeometrie kann der Bereich, in der die Zelle eine bestimmte Temperatur aufweist, festgelegt werden. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Verhältnis von 2:1:1 des Bereiches mit 95°C zu den Bereichen mit 72°C (Annealing) und 72°C (Elongation) gewählt. Zwischen den Blöcken ist jeweils ein Luftspalt, um die Wärmeübertragung zwischen den Blöcken zu verhindern. Durch Variation der Rotationsfrequenz kann die Zeit, in der die kritischen Temperaturen für die PCR-Reaktion an der Kartusche anliegen, variiert werden. To carry out the PCR, the PCR cartridge is placed in a PCR cycler. The PCR cycler consists of 3 heating blocks of a good thermal conductivity material (e.g., aluminum). By means of Peltier elements or heating mats, platinum resistance for temperature measurement and suitable control electronics (PID controller), the heating blocks are brought to the temperature necessary for the PCR reaction. Each block contains a gap into which the PCR cartridge is inserted. Above and below the cartridge, another heating block is located in the area of the DNA chip in order to set the chip temperature independently of the temperature for the PCR reaction in the reaction channel. This centric heating block also serves to mediate the rotational movement of the PCR cartridge and the contacting of the DNA chip in the cartridge. By a suitable choice of the block geometry, the area in which the cell has a certain temperature can be set. In the present example, a 2: 1: 1 ratio of the 95 ° C range to the 72 ° C (annealing) and 72 ° C (elongation) ranges was chosen. There is an air gap between the blocks to prevent heat transfer between the blocks. By varying the rotation frequency, the time during which the critical temperatures for the PCR reaction applied to the cartridge can be varied.
Vor Start der PCR wird die Reaktionsmischung in dem PCR-Cycler
Nach dieser ersten Normierungsmessung wird die PCR-Reaktion gestartet, die Heizblöcke des PCR-Cyclers werden dazu auf 96°C (Aufschmelzen), 72°C (Annealing) und 72°C (Elongation) eingestellt und die PCR-Kartusche mit einer Rotationsgeschwindigkeit von 2 Umdrehungen pro Minute (i.e. 2 Zyklen pro Minute) in den Heizblöcken gedreht. Das nahezu zentrisch ausgerichtete Sensorfeld des DNA-Chips wird über einen weiteren Heizblock bei ca. 40°C gehalten, Während einer Messung des Hybridisierungsvorgangs am Chip wird die PCR-Kartusche in der Regel weiter gedreht. After this first normalization measurement, the PCR reaction is started, the heating blocks of the PCR cycler are set to 96 ° C (melting), 72 ° C (annealing) and 72 ° C (elongation) and the PCR cartridge with a rotational speed of Turned 2 revolutions per minute (
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Sonden-Nukleinsäureoligomer Probe nucleic acid
- 22
- Signal-Nukleinsäureoligomer Signal nucleic acid
- 33
- Oberfläche der Teststelle Surface of the test site
- 44
- Spacer spacer
- 55
- Sonden-Pin-Abschnitt Probe pin section
- 5’5 '
- erster Signal-Pin-Abschnitt first signal pin section
- 5’’5 ''
- zweiter Signal-Pin-Abschnitt second signal pin section
- 66
- Sonden-Dock-Abschnitt Probes Dock section
- 6’6 '
- Signal-Dock-Abschnitt Signal-to-dock section
- 8 8th
- Signal-Erkennungs-Abschnitt Signal detection section
- 8’8th'
- Target-Erkennungs-Abschnitt Target detection section
- 99
- redoxaktives Detektionslabel redox-active detection label
- 1010
- Target-Nukleinsäureoligomer Target nucleic
- 11, 1211, 12
- Primerbindungsstellen Primer binding sites
- 11’, 12’11 ', 12'
- Primer primer
- 1313
- Nukleinsäure-Polymerase Nucleic acid polymerase
- 1414
- Signal-Nukleinsäureoligomer-Teilstück Signal nucleic acid-section
- 1515
- Signal-Nukleinsäureoligomer-Rumpf Signal nucleic acid-Hull
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20130404 |