DE10324063A1 - Preparing nucleotides on controlled pore glass, useful for making libraries for screening to identify aptamers, by coupling protected deoxyphosphoramidite directly to amino groups on the glass - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von auf porösem Glas gebundenen Nucleotiden mit einem speziellen Verfahren zur Abspaltung von Schutzgruppen und Nucleotidbibliotheken hergestellt mit diesem Verfahren.The The invention relates to a method for producing porous glass bound nucleotides with a special method for cleaving Protecting groups and nucleotide libraries were made using this procedure.
Bruce Merrifield hat sich als Erster in den 60er Jahren mit Träger gebundenen Synthesen beschäftigt. Längst bekannt und vielfach zur Herstellung von Oligonucleotid verwendet wurde long-chain-amino-alkyl-CPG (LCAA-CPG), welches mit dem Succinat der jeweiligen Base beladen wird. Hierbei bildet sich eine Esterbindung zum Träger, welche bei der Behandlung mit konz. NH3 nach erfolgter Synthese gespalten wird. Dadurch wird das Oligonucleotid vom Träger abgespalten. Es sind aber auch Träger beschrieben, welche ein Verbleiben des Oligonucleotids auf dem Träger zulassen.Bruce Merrifield was the first to deal with carrier-bound syntheses in the 1960s. Long-chain-amino-alkyl-CPG (LCAA-CPG), which is loaded with the succinate of the respective base, has long been known and has been widely used for the production of oligonucleotides. This forms an ester bond to the carrier, which is used in the treatment with conc. NH 3 is cleaved after synthesis. This cleaves the oligonucleotide from the support. However, supports are also described which allow the oligonucleotide to remain on the support.
Der modernen Biotechnologie sind verschiedene Arten von Bibliotheken bekannt.
- 1. Die sogenannte "diskontinuierliche" Bibliothek, die eine Sequenzierung der Oligonucleotide nach Anwendung nötig macht, da die Synthese auf einem Träger stattfindet, der aus Partikeln besteht.
- 2. Die "kontinuierliche" Bibliothek, welche z.B. auf Glasplättchen oder Polypropylenstreifen hergestellt wird. Hierbei ist durch die Position des jeweiligen Oligonucleotids auf dem Träger die Sequenz festgelegt.
- 3. Die Bibliothek in Lösung.
- 1. The so-called "discontinuous" library, which requires sequencing of the oligonucleotides after use, since the synthesis takes place on a support that consists of particles.
- 2. The "continuous" library, which is produced, for example, on glass plates or polypropylene strips. The sequence is determined by the position of the respective oligonucleotide on the support.
- 3. The library in solution.
Beim sogenannten "screening" setzt man Oligonucleotidbibliotheken ein, bei denen die Oligonucleotide nach Entschützen an den Träger gebunden verbleiben. Ein Beispiel der Oligonucleotidsynthese nach Standardmethoden ist bei H. Köster, A. Stume, A. Wolter, Tetrahedron Lett. (1983), Vol. 24, No. 8, 747-750 beschrieben.At the so-called "screening" one sets oligonucleotide libraries a, in which the oligonucleotides are bound to the support after deprotection remain. An example of oligonucleotide synthesis using standard methods is with H. Köster, A. Stume, A. Wolter, Tetrahedron Lett. (1983), Vol. 24, No. 8, 747-750 described.
Ebenfalls bekannt ist die Synthese von Oligonucleotiden auf unmodifiziertem CPG. Der Nachteil dieser Methode ist, dass sich die Oligonucleotide nicht mehr vom Trägermaterial abspalten lassen, um sie einer Analyse zu unterziehen.Likewise the synthesis of oligonucleotides on unmodified is known CPG. The disadvantage of this method is that the oligonucleotides are not more of the carrier material split off for analysis.
Auch
B. Bernard , J Jamal, F. Choplin, J. Martin,
U. Markos und E. M. Southern, Nucl. Acids Res. (1996), Vol. 24, No. 15, 3048-3052, verwendeten einen komplexen "spacer" mit Oxiranringsystemen. Auch ist der hier beschriebene "spacer" nicht so beständig gegenüber den reaktiven Reagenzien, welche bei der Oligonuclotidsynthese zum Einsatz kommen, wie eine kurze CH2-Kette, und das Produkt kann, da es auf OH-Ankergruppen hergestellt wurde, nicht zur späteren Analyse in einem Schritt abgespalten werden, wie dies bei NH2-Gruppen der Fall ist.U. Markos and EM Southern, Nucl. Acids Res. (1996), Vol. 24, No. 15, 3048-3052, used a complex "spacer" with oxirane ring systems. The "spacer" described here is also not as resistant to the reactive reagents used in oligonucleotide synthesis as a short CH 2 chain, and the product, because it was produced on OH anchor groups, cannot be used for later analysis be split off in one step, as is the case with NH 2 groups.
Die breiteste Verwendung in der Praxis finden bis heute sogenannte Polymerträger, nicht nur zum "screening". Hierbei geschieht die Kopplung der Basen direkt auf den NH2-Gruppen des Trägers. Der deutlichste Nachteil dieser Materialien sind die Schwierigkeiten der Reproduzierbarkeit bei Einzelpartikelselektion und die schlechte Synthese.So-called polymer supports are still used most widely in practice, not only for "screening". The bases are coupled directly to the NH 2 groups of the support. The most significant disadvantage of these materials are the difficulties in reproducibility with single particle selection and the poor synthesis.
B. Rotte, M. Hinz, R. Bader, A. Astriab, M. Markiewicz und W.T. Markiewicz und H. Seliger, Collect. Czech. Chem. Commun., (1996), 61, 304-306, beschrieben Oligonucleotidsynthesen nach Standardmethoden auf NH2 funktionalisiertem CPG, was dazu führt, dass die Oligonucleotide nicht entschützt werden können, ohne die Oberfläche des CPG während des Entschützens duch Ammoniak oberflächlich stark anzugreifen und einen großen Substanzverlust zu erleiden. Es ist bekannt, dass die Si-O-Bindung des CPG basenlabil ist. Wählt man die Einwirkungsdauer des Ammoniak zu kurz, sind die Reaktionen der Abspaltung der Schutzgruppen nicht vollständig.B. Rotte, M. Hinz, R. Bader, A. Astriab, M. Markiewicz and WT Markiewicz and H. Seliger, Collect. Czech. Chem. Commun., (1996), 61, 304-306, described oligonucleotide syntheses according to standard methods on NH 2 functionalized CPG, which means that the oligonucleotides cannot be deprotected without severely attacking the surface of the CPG during deprotection with ammonia and suffer a great loss of substance. The Si-O bond of the CPG is known to be base labile. If the exposure time of the ammonia is chosen too short, the reactions of the deprotection are not complete.
Des weiteren gelten polare, oberflächlich negativ geladene Träger, wie controlled pore glass (CPG) als schlechte Wahl für "screening" von polaren Biomolekülen, wie Polynucleotide, DNA oder Proteinen, da diese, wenn sie fluorescent markiert wurden, duch ihre starke unspezifische Bindung an den Träger, zu einer zu starken Hintergrundfluorescens führen.Of others apply polar, superficial negatively charged carriers, such as controlled pore glass (CPG) as a poor choice for "screening" polar biomolecules, such as Polynucleotides, DNA or proteins, since these, when fluorescent were marked by their strong non-specific binding to the carrier background fluorescence.
Die bekannten Verfahren und Synthesen werfen somit immer das Problem auf, dass sie entweder gute Ausbeuten pro Kopplungsschritt des Oligonucleotids auf CPG ergeben, oder, im Falle der Polymerträger, bei gleichzeitig hoher Beladung die Möglichkeit lassen, die Oligonucleotide auf Festphase einer weiteren Verwendung zuzuführen, aber geringe Kopplungsausbeuten pro Kopplungsschritt oder gar Fehlkopplungen aufweisen. Bei hohen Anforderungen an die Reinheit des Oligonucleotids, wie dies beim "screening" der Fall ist, stoßen alle bisherigen Verfahren an die Grenze ihrer Leistung, oder befassen sich mit Anordnungen, die nicht für "diskontinuierliche" Bibliotheken geeignet sind, wie Arrays, enzymatische Syntheseverfahren oder Bindung von Oligonucleotiden an das Trägermaterial nach erfolgter Synthese.The known methods and syntheses therefore always pose the problem on either yields per coupling step of the oligonucleotide result on CPG, or, in the case of the polymer carrier, at the same time high Loading the possibility leave the oligonucleotides on solid phase for further use supply, but low coupling yields per coupling step or even incorrect couplings exhibit. With high demands on the purity of the oligonucleotide, as is the case with "screening", everyone comes across previous procedures to the limit of their performance, or deal deals with arrangements that are not suitable for "discontinuous" libraries, such as arrays, enzymatic synthesis or oligonucleotide binding to the carrier material after synthesis.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein neues Verfahren zur Herstellung von an porösen Gläsern gebundenen Nucleotiden anzugeben sowie eine entsprechende Nukleotidbibliothek.task The present invention is therefore a new method for Manufacture of porous glass indicate bound nucleotides and a corresponding nucleotide library.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, wie es in Patentanspruch 1 definiert ist. Die Unteransprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.The The object described above is achieved by a method such as it is defined in claim 1. The subclaims show advantageous further training.
Das neu entwickelte Verfahren beinhaltet die Herstellung von Nucleotiden wie Polynucleotiden oder Oligonucleotiden auf einem Trägermaterial, welches aus Partikeln besteht. Dieses eignet sich auch zur Herstellung von Oligonucleotidbibliotheken. Überraschenderweise wurde gefunden, dass es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, polare Nukleotide an einen polaren Träger zu binden.The newly developed process involves the production of nucleotides such as polynucleotides or oligonucleotides on a carrier material, which consists of particles. This is also suitable for production of oligonucleotide libraries. Surprisingly it has been found that it is possible with the method according to the invention bind polar nucleotides to a polar support.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Beispiel näher beschrieben.The The invention is described in more detail below using an example.
Dabei
handelt es sich um Bibliotheken der Art : Partikel – TTTT – Oligonucleotidbibliothek.
Hierzu wird das Oligonucleotid stufenweise aufgebaut, indem zwei
unterschiedlich modifizierte Träger
zum Einsatz kamen (siehe
Das verwendete Aminopropyl CPG besitzt eine Porengröße von 1400 Angstroem. Ausgehend von aminopropyl CPG dessen Ninhydrin-Test positiv ist, erhält man mit Cyanurchlorid das Triazin-modifizierte CPG (0,2 g aminopropyl CPG, 0,27g Cyanurchlorid, 0,37 g NaHCO3, 3,75 ml Wasser, 10 ml Acetonitril bei RT 3h). Der Ninhydrin-Test dieses Materials nach Waschen mit Wasser und Acetonitril ist negativ. Durch Koppeln des Triazin-Rings bei Raumtemperatur mit 1,2-Diaminoethan (0,1 ml 1,2-Diaminoethan, 10 ml Acetnitril bei RT 3h) erhält man einen Träger, bei dem der Ninhydrin-Test anspricht, da dieser einen sehr empfindlichen Nachweis für Amino-Gruppen darstellt.The aminopropyl CPG used has a pore size of 1400 Angstroem. Starting from aminopropyl CPG whose ninhydrin test is positive, the triazine-modified CPG (0.2 g aminopropyl CPG, 0.27 g cyanuric chloride, 0.37 g NaHCO 3 , 3.75 ml water, 10 ml acetonitrile) is obtained with cyanuric chloride RT 3h). The ninhydrin test of this material after washing with water and acetonitrile is negative. By coupling the triazine ring at room temperature with 1,2-diaminoethane (0.1 ml 1,2-diaminoethane, 10 ml acetonitrile at RT 3 h), a support is obtained in which the ninhydrin test responds, since it is very sensitive Represents evidence for amino groups.
Die
Bedingungen der Synthese beinhalteten auf beiden Trägern eine,
gegenüber
den Standardphosphoramiditen veränderte
Phosphoamiditchemie, wobei anstatt des üblichen benzoyl-geschützten Desoxycytidinphosphoami dits
das entsprechende Phosphoamidit mit Acetylschutzgruppe verwendet wurde
(
Detritylierung 2% TCA/1,2-Dichlorethan/1min; Kopplung 50 μl 0,1 M Phosphoamidit, 200 μl 0,25 M DCI/2min; Capping DMAP,Acetanhydrid,sym-Collidin/30s; Oxidation Iod/12s. Das Entschützen der β-Cyanoethyl- und der Basenschutzguppen erfolgte mit 50/50 v/v CH3NH2/NH3 bei 65°C in 7 min. Danach ist schnelles Abkühlen und Auswaschen nötig, um die Reaktion zu stoppen. Hierbei tritt kein Angriff der Oberfläche auf, was zu einem Abspalten des Oligonucleotids vom Träger führt, obwohl Si-O-Bindungen basenlabil sind, was darauf zurückzuführen ist, dass die Einwirkungsdauer der stark basischen Reagenzien sehr kurz gehalten wird. Es wird kein zusätzlicher "spacer" benötigt. Die Kopplung der, mit Schutzgruppen versehenen, Desoxyphosphoamidite erfolgt direkt auf den NH2-Gruppen. Die mit Oligonucleotid beladenen Partikel wurden danach drei mal mit Wasser, zwei mal mit Acetonitril gewaschen und an der Luft getrocknet.Detritylation 2% TCA / 1,2-dichloroethane / 1min; Coupling 50 ul 0.1 M phosphoamidite, 200 ul 0.25 M DCI / 2min; Capping DMAP, acetic anhydride, sym-collidine / 30s; Oxidation iodine / 12s. The β-cyanoethyl and the base protecting groups were deprotected with 50/50 v / v CH 3 NH 2 / NH 3 at 65 ° C. in 7 min. After that, rapid cooling and washing out is necessary to stop the reaction. There is no attack on the surface, which leads to the oligonucleotide being split off from the support, although Si-O bonds are base-labile, which is due to the fact that the exposure time of the strongly basic reagents is kept very short. No additional "spacer" is required. The coupling of the deoxyphosphoamidites provided with protective groups takes place directly on the NH 2 groups. The particles loaded with oligonucleotide were then washed three times with water and twice with acetonitrile and air-dried.
Durch die Methode des "split-couple-combine" ist je ein Trägerpartikel mit einer Sequenz beladen, wenn man eine Synthese mit vollständiger Ausbeute voraussetzt. Vollständige Ausbeute ist zwar nur eine Idealisierung und in der Realität nie erreicht, aber oben genannte Träger geben in dieser Hinsicht gute Ergebnisse.By the method of "split-couple-combine" is one carrier particle each loaded with a sequence if you have a synthesis with full yield presupposes. full Yield is only an idealization and never achieved in reality, but carrier mentioned above give good results in this regard.
Da die Zahl der Oligonucleotide einer Bibliothek mit der Länge n des Oligonucleotids mit 4n stark ansteigt, ist es für eine Anwendung nicht sinnvoll, längere Bibliotheken, als 8- oder 9-mere herzustellen, da pro Synthese nicht genügend Partikel des Trä germaterials vorhanden sind, um alles Repräsentanten der Bibliothek zu enthalten.Since the number of oligonucleotides in a library with the length n of the oligonucleotide rises sharply with 4 n , it does not make sense for an application to produce libraries longer than 8 or 9 mers, since there are not enough particles of the carrier material per synthesis to include all library representatives.
Dadurch ist es möglich, die Partikel mit oberflächlich gebundenem Oligonucleotid mit Proteinen als "target" bei ~ 1μM Protein-Lösung im gepufferten System zu "screenen" wenn sie vorher mit einer "blocking"-Lösung aus 1% Rinderserumalbumin-Lösung in einem sogenannten "selection"-Puffer (20mM Tris-acetat, 140mM NaCl, 5mM KCl, 1mM MgCl2, 1mM CaCl2, pH = 7,4) bei 37°C für 1h incubiert wurden. Hierbei bindet das Serumalbumin an die polare Trägeroberfläche, so dass sie nicht mehr zugänglich ist für das fluorescent markierte Protein, da sonst alle Partikel fluorescent würden. Diese Maßnahme verhindert aber nicht die spazifischen Wechselwirkungen zwischen Protein und auf der Oberfläche gebundenem Oligonucleotid.This makes it possible to "screen" the particles with a surface-bound oligonucleotide with proteins as a "target" in ~ 1μM protein solution in the buffered system if they have previously been blocked with a "blocking" solution of 1% bovine serum albumin solution in a so-called " selection "buffer (20mM Tris-acetate, 140mM NaCl, 5mM KCl, 1mM MgCl 2 , 1mM CaCl 2 , pH = 7.4) were incubated at 37 ° C for 1h. The serum albumin binds to the polar carrier surface so that it is no longer accessible to the fluorescent-labeled protein, since otherwise all particles would become fluorescent. However, this measure does not prevent the specific interactions between the protein and the oligonucleotide bound on the surface.
Es kommt es zu keiner übermäßig starken Fluoreszens des Hintergrundes, so dass ein "screening" mit Fluoresceinisothiocyanat markierten Proteinen möglich wird in 20mM Tris-acetat, 140mM NaCl, 1mM CaCl2, 5mM KCl, 1mM MgCl2, ph = 7,4.There is no excessively strong fluorescence of the background, so that screening with fluorescein isothiocyanate-labeled proteins is possible in 20mM Tris-acetate, 140mM NaCl, 1mM CaCl 2 , 5mM KCl, 1mM MgCl 2 , pH = 7.4.
Hybridisierungsversuche ließen sich mit gutem Ergebnis im selben Puffersystem durchführen, wobei die "sense"-Sequenz auf dem Träger gebunden mit der fluorescent markierten "antisense"-Sequenz versetzt zu einer starken Fluorescens der Partikel führte. Bei der "scrambled"-Sequenz hingegen bleiben die Partikel dunkel. Positive Treffer beim "sceening" heben sich vom Hintergrund gut ab, wenn man die Konzentration des gewählten "target" nicht zu stark erhöht, da sonst die Hintergrundfluorescens und auch die unspezifische Bindung an den Träger zu stark werden.Hybridization experiments could be carried out with good results in the same buffer system, the “sense” sequence bound to the support combined with the fluorescent labeled “antisense” sequence leading to a strong fluorescence of the particles. In the "scrambled" sequence, however, the particles remain dark. Positive hits on "Sceening" stand out well from the background if the concentration of the selected "target" is not increased too much, since otherwise the background fluorescence and also the non-specific binding to the support become too strong.
In
Ein Spalten der P-N-Bindung mit 80% Essigsäure ist in 30 min bei RT möglich, um das Oligonucleotid eines einzelnen Partikels in Lösung zu bekommen.On Cleavage of the P-N bond with 80% acetic acid is possible in 30 min at RT the oligonucleotide of a single particle in solution to get.
Nun kann ein Sequenzieren oder weiter Verwenden des Oligonucleotids angeschlossen werden, da genug Oligonucleotid (~11–14 μmol/g Träger) auf einem Partikel für MALDI-MS oder PCR zur Verfügung steht. Dies bedeutet eine Beldaung von einigen wenigen picomol an Oligonucleotid pro Partikel. Mittels Radiomarkierung (z. B. γ-32P-ATP) läßt sich die Reinheit des Oligonucleotids auf einem Partikel sehr schön dokumentieren. Duch die stark basischen Bedingungen kann es dennoch zu einem großen Substanzverlust beim Entschützen des Oligonucleotids auf dem Träger kommen, aber die auf Festphase verbleibende Menge reicht aus, um genügend Substanz für die verwendeten Analysenverfahren zu liefern.Now sequencing or further use of the oligonucleotide can be connected since enough oligonucleotide (~ 11-14 μmol / g carrier) is available on a particle for MALDI-MS or PCR. This means that a few picomoles of oligonucleotide per particle are removed. By means of radio labeling (e.g. γ- 32 P-ATP), the purity of the oligonucleotide on a particle can be documented very nicely. Due to the strongly basic conditions, there can still be a large loss of substance when deprotecting the oligonucleotide on the support, but the amount remaining on the solid phase is sufficient to supply sufficient substance for the analytical methods used.
Dies
zeigen die MALDI-Spektren von einzelnen Trägerpartikeln der Sequenz 5'-ACATCAAGTTT-3' aud CPG triazin
NH2 (
Hierbei
entspricht der peak bei 3317,3 Da (
Die
verwendeten Einstellungen zeigt
Die Proben wurden mit γ-32P-ATP radiomarkiert. Hierzu wurde 1/5 bis 1/10 eines Partikels verwendet. Dadurch kann ein und das selbe Partikel vor der Verwendung auf Reinheit des Oligonucleotids untersucht werden.The samples were radiolabeled with γ- 32 P-ATP. For this, 1/5 to 1/10 of a particle was used. This allows one and the same particle to be examined for purity of the oligonucleotide before use.
Dabei ist zu bedenken, dass keine Reinigungsschritte der Substanz auf Einzelpartikel möglich sind. Verkürzte Sequenzen sind zu erkennen, weil die Gelelektrophorese mit Radiomarkierung eine sehr empfindliche Methode darstellt, die Reinheit von Oligo- oder Polynucleotiden zu erkennen.there It should be borne in mind that there are no cleaning steps on the substance Individual particles possible are. shortened Sequences are recognizable because of the gel electrophoresis with radiolabelling represents a very sensitive method, the purity of oligo or to recognize polynucleotides.
Dabei ist zu bemerken, dass nicht von jedem Trägerpartikel ein Signal zu erhalten ist, vor allem, wenn es sich um Partikel einer Bibliothek handelt, da die Beladung der Partikel schwanken kann. Aber selbst die Schwankungen der Substanzmenge ist gegenüber den bisher verwendeten Trägern bei Anwendung dieser Methodenkombination reduziert.there it should be noted that not every carrier particle receives a signal is, especially when it comes to particles from a library, since the loading of the particles can fluctuate. But even the fluctuations the amount of substance is opposite the carriers used so far reduced when using this combination of methods.
Eine möglicher Einsatz der dargestellten Methodenkombination ist das Auffinden von Oligonucleotidsequenzen durch "screening" von Oligonucleotidbibliotheken, welche an ein gewähltes "target", etwa ein Protein oder ein niedermolekulares, organisches Molekül, mit hoher Affinität binden. Einiger solcher Aptamere sind bei M. Famulok, G. Mayer und M. Blind, Acc. Chem. Res. (2000), 33, No. 9, 591-599, beschrieben.A potential Using the combination of methods shown is to find it of oligonucleotide sequences by "screening" oligonucleotide libraries which to a selected "target", such as a protein or bind a low molecular weight, organic molecule with high affinity. Some such aptamers are found in M. Famulok, G. Mayer and M. Blind, Acc. Chem. Res. (2000), 33, No. 9, 591-599.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2003124063 DE10324063A1 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Preparing nucleotides on controlled pore glass, useful for making libraries for screening to identify aptamers, by coupling protected deoxyphosphoramidite directly to amino groups on the glass |
Applications Claiming Priority (1)
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DE2003124063 DE10324063A1 (en) | 2003-05-27 | 2003-05-27 | Preparing nucleotides on controlled pore glass, useful for making libraries for screening to identify aptamers, by coupling protected deoxyphosphoramidite directly to amino groups on the glass |
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Publication Number | Publication Date |
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DE10324063A1 true DE10324063A1 (en) | 2004-12-23 |
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ID=33482213
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2003
- 2003-05-27 DE DE2003124063 patent/DE10324063A1/en not_active Withdrawn
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