WO2001021635A2 - Method for electrochemically detecting sequence-specific nucleic acid-oligomer hybridisation events - Google Patents

Method for electrochemically detecting sequence-specific nucleic acid-oligomer hybridisation events Download PDF

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WO2001021635A2
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    • C12Q1/6869Methods for sequencing
    • C12Q1/6874Methods for sequencing involving nucleic acid arrays, e.g. sequencing by hybridisation

Definitions

  • the present invention relates to a modified nucleic acid oligomer and a method for the electrochemical detection of sequence-specific nucleic acid oligomer hybridization events.
  • RNA and DNA For sequence analysis of DNA and RNA, e.g. B. in disease diagnosis, in toxicological test methods, in genetic research and development, and in the agricultural and pharmaceutical sector, gel electrophoretic methods with autoradiographic or optical detection are generally used.
  • each reaction mixture contains enough 2 ', 3'-dideoxy analogue of one of these nucleoside triphosphates as a stop base (one of each 4 possible stop bases per approach) to stop replication at all possible binding sites.
  • Another optical detection method is based on the attachment of fluorescent dyes such.
  • 32 P is incorporated into the phosphate skeleton of the oligonucleotides, 32 P usually being added at the 5'-hydroxyl end by polynucleotide kinase.
  • the labeled DNA is then preferably cleaved on one of the four nucleotide types, under defined conditions, so that an average cleavage occurs per chain.
  • connection is made in an ordered grid of 65536 test sites, a larger amount of an oligonucleotide combination defining a test site and the position of each individual test site (oligonucleotide combination) being known.
  • the oligomer chip a DNA fragment, the sequence of which is to be determined (the target), is labeled with fluorescent dye (or 32 P) and hybridized under conditions which only permit specific double-strand formation.
  • the target DNA fragment only binds to the nucleic acid oligomers (in the example to the octamers) whose complementary sequence corresponds exactly to a part (an octamer) of its own sequence.
  • nucleic acid oligomer sequences By optical (or autoradiographic) detection of the binding position of the hybridized DNA fragment, all nucleic acid oligomer sequences (octamer sequences) present in the fragment are thus determined. Due to the overlap of neighboring nucleic acid oligomer sequences, the continuous sequence of the DNA fragment can be determined by suitable mathematical algorithms. The advantages of this method include the miniaturization of the sequencing and thus the enormous amount of data that is recorded simultaneously in one operation. In addition, primers and the gel electrophoretic separation of the DNA fragments can be dispensed with. This principle is shown by way of example in FIG. 1 for a 13 base long DNA fragment.
  • oligonucleotide sequences or DNA fragments which code one or more known genes can also be bound on the oligomer chip described above. So z. B. for each gene of known base sequence searched a sufficient number of oligonucleotide sequences from z. B. 20 bases each, which are complementary to corresponding sequence sections of the gene sought with a known base sequence, are applied to a support material in order to detect this gene with a very high probability. On the other hand, known genes can also be tested for mutations on an oligomer chip, for example by B. the corresponding sequence segments of the genes with and without mutation can be applied to the carrier material.
  • radioactive labels in DNA / RNA sequencing has several disadvantages, such as e.g. B. complex, legally prescribed safety precautions when handling radioactive materials, the radiation exposure, the limited spatial resolution (maximum 1mm 2 ) and a sensitivity that is only high if the radiation of the radioactive fragments for a correspondingly long (hours to days) X-ray film acts.
  • the spatial resolution can be increased by additional hardware and software and the detection time can be shortened by using ⁇ scanners, both are associated with considerable additional costs.
  • the fluorescent dyes which are usually used to label the DNA, are partly mutagenic (e.g. ethidium bromide) and, like the use of autoradiography, require corresponding safety precautions.
  • the use of optical detection requires the use of one or more laser systems and thus trained personnel and appropriate safety precautions.
  • the actual detection of fluorescence requires additional hardware, such as. B. optical components for amplification and, at different excitation and interrogation wavelengths as in the Sanger process, a control system. Depending on the required excitation wavelengths and the desired detection power, considerable investment costs can arise.
  • the detection is even more (expensive) because, in addition to the excitation system, high-resolution CCD cameras (charge coupled device cameras) are required for the 2-dimensional detection of the fluorescence spots.
  • the object of the present invention is therefore to create a device and a method for the detection of nucleic acid-oligomer hybrids which do not have the disadvantages of the prior art.
  • modified nucleic acid oligomer according to independent patent claim 1 by the method for producing a modified nucleic acid oligomer according to independent claim 22, by the modified conductive surface according to independent patent claim 34, by the method for producing a modified conductive surface according to independent patent claim 34 Claim 49 and a method for the electrochemical detection of nucleic acid-oligomer hybridization events according to independent claim 53.
  • PNA Peptide nucleic acid synthetic DNA or RNA in which the sugar-phosphate unit is replaced by an amino acid.
  • synthetic DNA or RNA synthetic DNA or RNA in which the sugar-phosphate unit is replaced by an amino acid.
  • sugar-phosphate unit is replaced by the -NH- (CH 2 ) 2 - N (COCH 2 base) -CH 2 CO - Unit hybridizes PNA with DNA.
  • Nucleic acid at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or guanine).
  • the term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous structures (e.g. phosphoramide, thio-phosphate or dithio-phosphate backbone).
  • An essential feature of a nucleic acid in the sense of the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA in a sequence-specific manner.
  • Nucleic acid - nucleic acid of unspecified base length e.g. oligomeric nucleic acid octamer: a nucleic acid with any backbone in which 8 pyrimidine or purine bases are covalently bonded to one another.
  • Oligomer equivalent to nucleic acid oligomer Oligomer equivalent to nucleic acid oligomer.
  • Oligonucleotide equivalent to oligomer or nucleic acid oligomer e.g. B. a DNA, PNA or RNA fragment unspecified base length.
  • Oligo Abbreviation for oligonucleotide Oligo Abbreviation for oligonucleotide.
  • Primer start complementary fragment of an oligonucleotide the base length of the primer being only about 4-8 bases. Serves as a starting point for the enzymatic replication of the oligonucleotide.
  • the two single strands hybridize in such a way that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in RNA, T is replaced by uracil) , Any other base pairing does not form hydrogen bonds, distorts the structure and is referred to as a "mismatch".
  • SS Single Strand ds double Strand redox-active unit corresponds to a catalytically redox-active unit catalytically a unit referred to in the context of the present invention under the redox-active unit generic term "catalytically redox-active unit” consists of one or more redox-active centers (cofactors, prosthetic groups), hereinafter referred to as electron donors or electron acceptors, and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
  • redox-active unit consists of one or more redox-active centers (cofactors, prosthetic groups), hereinafter referred to as electron donors or electron acceptors, and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
  • the catalytically redox-active unit thus contains one or more electron-donor molecules and / or one or more electron-acceptor molecules in their appearance-relevant form, whereby this electron-donor molecule (s) and / or this (these) Electron acceptor molecule (s) is / is bound to one or more macromolecules or is embedded in this (s) macromolecule (s).
  • Electron donor (s) and / or electron acceptor (s) can be mutually linked by one or more covalent or ionic bonds, by hydrogen bonds, by van der Waals bridges, by ⁇ - ⁇ interaction or by coordination be connected to one another by means of electron pair donation and acceptance, it being possible for covalent compounds to be direct or indirect (eg via a spacer but not via a nucleic acid oligomer) compounds.
  • the electron donor (s) and / or electron acceptor (s) with the macromolecule (s) by covalent attachment to the macromolecule (s), by encapsulation in suitable molecular cavities (binding pockets) of the Macromolecule (of the macromolecules), by ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals bridges, ⁇ - ⁇ interaction or by coordination by means of electron pair donation and acceptance between the macromolecule (s) and the (n) electron donor molecule (s) and / or the electron acceptor molecule (s).
  • a catalytically redox-active unit can also consist of only one macromolecule, the macromolecule then also acting as an electron donor or acceptor in its manifestation relevant to the invention. It can also consist of only one electron donor or acceptor.
  • the catalytically redox-active unit can also be formed by spontaneously assembling the component in solution (in situ).
  • the unit is in the manifestations relevant to the invention (electron donor (s) and / or electron acceptor (s) in the original or oxidized or reduced state) stable and does not dissociate into its components, (ii) the electrocatalytic activity of the unit (see below), (iii) the unit contains no nucleic acid, (iv)
  • the composition of the unit consisting of electron donor (s) and / or electron acceptor (s) and / or macromolecule (s) can be recognized by a person skilled in the art - regardless of the bond between the components - since the redox-active centers (cofactors, prosthetic Groups) and the associated matrix of macromolecule (s) (e.g.
  • the catalytically redox-active unit can, for. B. any redox-active protein / enzyme from the group of oxidases or reductases, proteins / enzymes from this group of oxidases or reductases modified by protein engineering or gene mutation or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or . Acceptor) or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or acceptor) and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
  • Cofactor corresponds to a redox-active center (electron donor or acceptor) of the catalytically redox-active unit prosthetic group corresponds to a redox-active center (electron donor or acceptor) of the catalytically redox-active unit, the redox-active center, the redox-active center of the catalytically redox-active unit, the center, which is distinguished by the fact that it acts as a redox-active unit as a redox-active unit compared to a substrate specific for the catalytically, Donor or acceptor acts.
  • a charge transfer can also occur within the catalytically redox-active unit: after the charge transfer there is between the substrate specific for the catalytically redox-active unit and a first redox-active center a further charge transfer between this first redox-active center and a further redox-active center of the same catalytically redox-active unit is possible, this second redox-active center in turn being able to transfer charge to a third redox-active center, etc.
  • Electron donor- corresponds to an electron donor. molecule
  • Elekron acceptor corresponds to an electron acceptor. molecule
  • Electron donor in the context of the present invention, denotes a component of the catalytically redox-active unit.
  • An electron donor is a molecule that can transfer an electron to an electron acceptor immediately or after exposure to certain external circumstances. Such an external circumstance is e.g. B. the oxidation or reduction of the electron donor or - acceptor of the catalytically redox-active unit by a external oxidizing or reducing agent, so z. B. the transfer of an electron to the electron donor by a reducing agent or the release of an electron by the electron acceptor to an oxidizing agent.
  • oxidizing or reducing agents can be external redox-active substances, ie they are not covalently linked to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but are associated with these, e.g. B. via the solution added to the modified conductive surface, in contact, in particular the substrates specific for the catalytically redox-active unit can act as external oxidizing or reducing agents.
  • an external oxidizing or reducing agent can also be covalently linked to the nucleic acid oligomer, the oxidizing or reducing agent being covalently linked to a point on the nucleic acid oligomer that contains at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or Purine bases is removed from the covalent attachment site of the redox-active unit, preferably at the end of the oligonucleotide opposite the modification with the catalytically redox-active unit in the vicinity of the conductive surface.
  • the conductive surface can also act as an external oxidizing or reducing agent.
  • the ability to act as an electron donor or acceptor is relative, ie a molecule which acts as an electron donor immediately or after the action of certain external circumstances can act against this molecule under different experimental conditions or against a third molecule same or different experimental conditions also act as an electron acceptor.
  • Electron acceptor in the context of the present invention, denotes a component of a catalytically redox-active unit.
  • An electron acceptor is a molecule that can accept an electron from an electron donor immediately or after exposure to certain external circumstances. Such an outside Circumstance is z. B. the oxidation or reduction of the electron donor or acceptor of the catalytically redox-active unit by an external oxidizing or reducing agent, so z. B. the transfer of an electron to the electron donor by a reducing agent or the release of an electron by the electron acceptor to an oxidizing agent.
  • oxidizing or reducing agents can be external redox-active substances, ie they are not covalently linked to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but are associated with these, e.g. B. via the solution added to the modified conductive surface, in contact, in particular the substrates specific for the catalytically redox-active unit can act as external oxidizing or reducing agents.
  • an external oxidizing or reducing agent can also be covalently linked to the nucleic acid oligomer, the oxidizing or reducing agent being covalently linked to a point on the nucleic acid oligomer that contains at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or Purine bases is removed from the covalent attachment site of the catalytically redox-active unit, preferably at the end of the oligonucleotide opposite the modification with the redox-active unit in the vicinity of the conductive surface.
  • the conductive surface (electrode) can also act as an external oxidizing or reducing agent.
  • the ability to act as an electron acceptor or donor is relative, ie a molecule which acts as an electron acceptor immediately or after the action of certain external circumstances can act against this molecule under different experimental conditions or against a third molecule same or different experimental conditions also act as an electron donor.
  • Oxidizing agent chemical compound which by taking up electrons from another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor) this other chemical compound (chemical Substance, electron donor, electron acceptor) oxidized.
  • An oxidizing agent behaves analogously to an electron acceptor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron acceptor that does not directly belong to the catalytically redox-active unit. In this context, not directly means that the oxidizing agent is either a substrate specific for the catalytically redox-active unit or a free redox-active substance which is not bound to the nucleic acid oligomer but is in contact with it.
  • the oxidizing agent can be covalently linked to the nucleic acid oligomer, but at a point on the nucleic acid oligomer that is at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases from the covalent linkage point of the catalytically redox-active unit.
  • the electrode can also be the oxidizing agent.
  • Reducing agent chemical compound which, by donating electrons to another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor), reduces this other chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor).
  • a reducing agent behaves analogously to an electron donor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron donor that does not directly belong to the catalytically redox-active unit.
  • the reducing agent is either a substrate specific for the catalytically redox-active unit or a free redox-active substance which is not bound to the nucleic acid oligomer but is in contact therewith or that the reducing agent is covalently to the nucleic acid -
  • the oligomer is attached, but at a point on the nucleic acid oligomer which is at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases from the covalent linkage site of the redox-active unit.
  • the electrode can also represent the reducing agent.
  • redox active redox active denotes the property of a redox active unit to give electrons to a suitable oxidizing agent under certain external circumstances or to take up electrons from a suitable reducing agent or the property of a redox active substance to give electrons to a suitable electron acceptor under certain external circumstances or from a suitable electron To accept donor electrons.
  • Analyte corresponds to a substrate
  • Substrate free, not covalently with the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface composite, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, contacting oxidizing or reducing agent, the substrate z. B. can be a charged or uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase).
  • the substrate is characterized in that it is recognized by the catalytically redox-active unit through the formation of specific interactions between the substrate and the catalytically redox-active unit and can reduce (or oxidize) the donor (or the acceptor) of the catalytically redox-active unit, the catalytic Activity of the catalytically redox-active unit accelerates (catalyzes) this redox reaction of the substrate to the product.
  • Catalytic activity The catalytic activity of the catalytically redox-active unit has an accelerating effect on the specific reaction between the unit and the associated substrate and thus enables a reaction sequence which does not take place or only to an imperceptible extent without the catalytic activity of the unit.
  • This catalytic activity of the redox-active unit is achieved by stabilizing the respective transition state, ie the most energetic species, in the course of the reaction between the catalytically redox-active unit and the associated substrate.
  • electrocatalytic the electrocatalytic activity of the catalytic redox active activity is closely related to the catalytic activity of the Unit.
  • the electro-chemical conversion of the substrate at the electrode is accelerated.
  • the electrocatalytic activity of a catalytically redox-active unit immobilized on an electrode reduces the activation energy of the electrode reaction of the substrate to the product (energy of the most energetic state for the reaction sequence of the conversion of the substrate into the product at the electrode) and thereby leads to a shift in the for the electrode reaction of the Substrate to the product necessary electrode potential in the direction of the equilibrium potential for these electrodes reaction.
  • the lowering of the activation potential leads to a reduction in the overvoltage necessary for an electrode reaction and thus to an increase in the electron foot between the electrode and the substrate at a certain electrode potential suitable for the electrode reaction (this increase is generally referred to as catalytic current).
  • the main consequence of the electrocatalytic activity is that the electrochemical conversion of the substrate into the product can be carried out in the presence and with the participation of the catalytically redox-active unit at an electrode potential at which no or only very little current flows in the absence of the catalytically redox-active unit.
  • the specificity of the catalytically redox-active unit acts specifically both with regard to the catalytically active redox-active unit substrate interacting with the catalytically redox-active unit and with regard to the reaction carried out with the respective substrate.
  • redox reactions are the preferred reactions between catalytically redox-active unit and substrate. Initiation process with appropriately chosen external circumstances, the catalytically redox-active unit unfolds its redox activity, ie its property, e.g. B. to give electrons to a suitable oxidizing agent or to take up electrons from a suitable reducing agent, only after an initiation process.
  • Such an initiation process can be the transfer of substrate with its property charge to the catalytically redox-active unit:
  • the reductive property of a catalytically redox-active unit is only through the transfer of electron (s) from the substrate to / an electron donor "D "enables, either in the presence of an oxidizing agent that can oxidize D " but not D, or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, the electron is transferred from D ⁇ to an acceptor "A" (directly or via several electron transfer steps to intermediate Electron acceptors) and an oxidizing agent is present which only accepts electrons from this reduced acceptor "A ⁇ " of the catalytically redox-active unit, but not from A.
  • this oxidizing agent can also be an electrode, for example if the electrode is on an Potential is set at which D " (or A " ), but not D (or A), ox is identified.
  • the oxidative property of a catalytically redox-active unit is only made possible by the transfer of electron (s) from an electron donor "D" to the substrate, either in the presence of a reducing agent that can reduce D + but not D or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, an electron is transferred from an acceptor "A” to the oxidized donor D + (directly or via several electron transfer steps of intermediate electron donors) and a reducing agent is present which is only present on this oxidized acceptor "A + " catalytically redox-active unit emits electrons, but not to A.
  • this reducing agent can also be an electrode, for. B. if the electrode is set to a potential at which D + (or A + ), but not D (or A), is reduced.
  • Redox active usually consists of so-called apoprotein, which (the) (Formula 3)
  • alkyl denotes a saturated hydrocarbon group that is straight-chain or branched (eg ethyl, 2,5-dimethylhexyl or isopropyl etc.).
  • alkyl refers to a group with two available valences for covalent linkage (e.g. -CH 2 CH 2 -, -CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 - or -CH 2 CH 2 CH 2 - etc.).
  • Preferred alkyl groups as substituents or side chains R are those of chain length 1-30 (longest continuous chain of atoms covalently bonded to one another).
  • Preferred alkyl groups as linkers or spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length here being the shortest continuous connection between the structures connected by the linker or spacer, that is to say between the two molecules or between a surface atom, Surface molecule or a surface molecule group and another molecule.
  • Alkynyl alkyl or alkenyl groups in which one or more of the CC single or C C double bonds by C ⁇ C Triple bonds are replaced.
  • linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl chains, the chain being derivatized at two points with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partners.
  • the reactive groups can also be photoactivatable, i. H. the reactive groups are only activated by light of certain or any wavelength.
  • Preferred linkers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length here being the shortest continuous connection between the structures to be connected, i.e. between the two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule , represents.
  • Spacer linker which is covalently bonded via the reactive groups to one or both of the structures to be connected (see linker).
  • Preferred spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length being the shortest continuous connection between the structures to be connected.
  • These spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to it by modification and “n” is any integer, in particular a number between 1 and 20.
  • n x R-S-S spacer Nucleic acid oligomer to which n disulfide functions are each connected via a spacer via oligo, any residue R saturating the disulfide function.
  • the spacer for connecting the disulfide function to the nucleic acid oligomer can each have a different chain length (shortest continuous connection between the disulfide function and nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14. These spacers can in turn be connected to various naturally on the nucleic acid Oligomeric reactive groups attached or attached to this by modification.
  • the placeholder n is any integer, in particular a number between 1 and 20.
  • Oligo-Spacer-SS- two identical or different nucleic acid oligomers that are connected to each other via a disulfide bridge, the disulfide bridge being connected to the nucleic acid oligomers via any two spacers and the two spacers having a different chain length (shortest can have a continuous connection between the disulfide bridge and the respective nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14, and these spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to them by modification.
  • mice Mica muscovite platelets, carrier material for thin application Layers.
  • the terminal phosphate group of the oligonucleotide is esterified at the 3 'end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH, the SS bond being cleaved homolytically and each causes an Au-SR bond.
  • FAD is bound via amide formation, which was previously modified so that it has a reactive amino group, e.g. B. by formation of N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537. B1).
  • the FAD is then reconstituted with the apoprotein of the GOx, so that a nucleic acid oligomer covalently attached to the surface is formed, which is additionally - via PQQ as a covalently attached bridge molecule - covalently modified with the complete GOx unit.
  • Au-S- ⁇ CHd ⁇ -ds-oligo-Au-S-fCH ⁇ ss-oligo-spacer-PQQ-FADfGOx hybridizes with spacer-PQQ-dem to ss-oligo (sequence: TAGTCGGAAGCA) FAD (GOx) complementary oligonucleotide.
  • the terminal phosphate group of the oligonucleotide is esterified at the 3 'end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH, the SS bond being cleaved homolytically and each causes an Au-SR bond.
  • NAD + is bound via amide formation, which was previously modified so that it has a reactive amino group, e.g. B. by forming N 6 - (2-Aminoethyl) -NAD + (Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537.B1). The complete LDH is associated with this terminal NAD + .
  • Electrode reaction Redox reaction between a redox-active substance and an electrode absorption of electrons from the electrode by the redox-active substance or release of electrons from the redox-active substance to the electrode
  • Cyclic voltammetry Recording a current / voltage curve.
  • the potential of a stationary working electrode is changed linearly as a function of time, starting from a potential at which no electrooxidation or reduction takes place up to a potential at which a dissolved or adsorbed species is oxidized or reduced (i.e. current flows).
  • the direction of the potential feed is reversed. The behavior of the products of electrooxidation or reduction is then recorded in the return.
  • Amperometry Recording a current / time curve is the potential a stationary working electrode z. B. is set by a potential jump to a potential at which the electro-oxidation or reduction of a dissolved or adsorbed species takes place and the flowing current is recorded as a function of time.
  • Potentiometry Recording an electrode voltage curve depending on the z. B. the substrate consumption.
  • the "zero current" potential E ° changes in the direction of the equilibrium potential.
  • * Recording the potential as a function of time ( ⁇ substrate consumption) thus provides information about the hybridization state.
  • the present invention relates to a nucleic acid oligomer which is modified by chemical bonding of a catalytically redox-active unit.
  • the catalytically redox-active unit can, after donating an electron to an external oxidizing agent (substrate) from an external reducing agent, e.g. B. an electrode, reduced or after receiving an electron from an external reducing agent (substrate) by an external oxidizing agent, for. B. an electrode, are oxidized.
  • a nucleic acid oligomer is a compound of at least two covalently linked nucleotides or of at least two covalently linked pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or guanine) , preferably a DNA, RNA or PNA fragment, is used.
  • the term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. 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. B.
  • nucleic acid in the sense of the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA in a sequence-specific manner.
  • nucleic acid oligomer the terms “(probe) oligonucleotide”, “nucleic acid” or “oligomer” are used.
  • electrostatic acceptor or “electron acceptor molecule” and the term “electron donor” or “electron donor molecule” in the context of the present invention denotes a component (a redox-active center or a cofactor or a prosthetic group) of a catalytically redox-active unit.
  • catalytically redox-active unit generally consists of one or more redox-active centers (cofactors, prosthetic groups), which are referred to below as electron donors or electron acceptors, and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
  • the catalytically redox-active unit therefore contains one or more electron-donor molecules and / or one or more electron-acceptor molecules in their appearance-relevant form, whereby this electron-donor molecule (s) and / or this (these) Electron acceptor molecule (s) are bound to one or more macromolecules or are embedded in this (s) macromolecule (s).
  • Electron donors and / or electron acceptors can be linked to one another by one or more covalent or ionic bonds, by hydrogen bonds, by van der Waals bridges, by ⁇ - ⁇ interaction or by coordination by means of an electron pair - Donation and - Acceptance can be linked to one another, where covalent compounds can be direct or indirect (eg via a spacer but not via a nucleic acid oligomer) compounds.
  • the electron donor (s) and / or electron acceptor (s) with the macromolecule (s) by covalent attachment to the macromolecule (s), by encapsulation in suitable molecular cavities (binding pockets) of the Macromolecule (of the macromolecules), by ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals bridges, ⁇ - ⁇ interaction or by coordination by means of electron pair donation and - acceptance between the macromolecule (s) and the (n) electron donor molecule (s) and / or the electron acceptor molecule (s).
  • a catalytically redox-active unit can also consist of only one macromolecule, the macromolecule then also acting as an electron donor or acceptor in its manifestation relevant to the invention. It can also consist of only one electron donor or acceptor.
  • the catalytically redox-active unit can also be formed by spontaneously assembling the component in solution (in situ).
  • the only restriction of the molecules or parts of molecules connecting the components of the catalytically redox-active unit is the exclusion of nucleic acid oligomers.
  • the catalytically redox-active unit is bound as a complete unit to the probe oligonucleotide, it being possible, of course, to form several chemical bonds between the oligonucleotide and the redox-active unit.
  • nucleic acid oligomers as the molecules or parts of molecules connecting the constituents of the catalytically redox-active unit is intended to clarify that individual parts of the catalytically redox-active unit are not linked to different locations of the probe oligonucleotide.
  • the probe oligonucleotide therefore explicitly does not represent the connection between the electron donor molecule (s) and the macromolecules and / or the electron acceptor molecule (s) and the macromolecules of the catalytically redox-active unit.
  • the redox activity of the catalytically redox-active unit that is to say its property, under certain external circumstances, to give off electrons to a suitable oxidizing agent (or to take up electrons from a suitable reducing agent) is initiated by an initiation process, e.g. B. only unfolded after reduction (or after oxidation) by the substrate.
  • the catalytically redox-active unit only develops its redox activity after the initiation process "adding substrate with the property of transferring charge to the catalytically redox-active unit”: the reductive property of a catalytically redox-active unit is only achieved by the transfer of electrons ) from the substrate to the electron donor "D", either in the presence of an external oxidizing agent (e.g.
  • the electrode with a correspondingly selected potential which can oxidize D ⁇ , but not D, or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit the electron is transferred from D ⁇ to an acceptor "A" (directly or via several electron transfer steps to intermediate electron acceptors) and an oxidizing agent is present which only electrons from this reduced acceptor "A ⁇ " of the catalytically redox-active unit records " , but not from A ( e.g. in the presence of an electrode with an appropriately selected potential).
  • the oxidative property of a catalytically redox-active unit is only made possible by the transfer of electron (s) from an electron donor "D" to the substrate, either in the presence of a reducing agent (e.g. the electrode with the correspondingly chosen potential), the D + , but cannot reduce D or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, an electron from an acceptor "A” to the oxidized donor D + is transferred (directly or via several electron transfer steps from intermediate electron donors) and a reducing agent is present which only gives off electrons to this oxidized acceptor "A + " of the catalytically redox-active unit, but not to A (e.g. in the presence of an electrode with correspondingly chosen potential).
  • a reducing agent e.g. the electrode with the correspondingly chosen potential
  • the unit is in the manifestations relevant to the invention (electron donor (s) and / or electron acceptor (s and macromolecule (s)) in the original or oxidized or reduced state) stable and does not dissociate into their components, (ii) the electrocatalytic activity of the unit (see below), (iii) the unit does not contain any Nucleic acid, (iv) the composition of the unit from electron donors) and / or electron acceptor (s) and macromolecule (s) can be recognized by the person skilled in the art - regardless of the bond between the constituents - since the redox-active centers (cofactors, prosthetic groups) and the associated matrix of macromolecule (s) (e.g. apoprotein in enzymes as an example of a catalytically redox-active unit) can in principle also occur separately.
  • the substrate specific for a particular catalytically redox-active unit is a free compound that is not covalently bonded to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, contacting oxidation or
  • the substrate z. B. can be a charged or uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase).
  • the substrate is characterized in that it is recognized by the catalytically redox-active unit through the formation of specific interactions between the substrate and the catalytically redox-active unit and the donor
  • the (or the acceptor) of the catalytically redox-active unit can be reduced (or oxidized), the catalytic activity of the catalytically redox-active unit accelerating (catalyzing) this redox reaction of the substrate to the product.
  • the catalytic activity of the catalytically redox-active unit has an accelerating effect on the specific reaction between the unit and the associated substrate and thus enables a reaction sequence which takes place without the catalytic activity of the unit (e.g. in the form of the substrate and the unbound cofactor in Solution) does not take place or only takes place to an imperceptible extent.
  • This catalytic activity of the redox-active unit is achieved by stabilizing the respective transition state, ie the most energetic species in the course of the reaction between the catalytically redox-active unit and the associated substrate.
  • the electrocatalytic activity of the catalytically redox-active unit is closely related to the catalytic activity of the unit.
  • the electro-chemical conversion of the substrate at the electrode is accelerated.
  • the electrocatalytic activity of a catalytically redox-active unit immobilized on an electrode reduces the activation energy of the electrode reaction of the substrate to the product (energy of the most energetic state for the reaction sequence of the conversion of the substrate into the product at the electrode) and thereby leads to a shift in the for the electrode reaction of the Substrate to the product necessary electrode potential in the direction of the equilibrium potential for this electrode reaction.
  • the lowering of the activation potential leads to a reduction in the overvoltage necessary for an electrode reaction and thus to an increase in the electron foot between the electrode and the substrate at a certain electrode potential suitable for the electrode reaction (this increase is generally referred to as catalytic current).
  • the consequence of the electrocatalytic activity is that the electrochemical conversion of the substrate into the product can be carried out in the presence and with the participation of the catalytically redox-active unit at an electrode potential at which no or only very little current flows in the absence of the catalytically redox-active unit.
  • the catalytically redox-active unit acts specifically both with regard to the substrate interacting with the catalytically redox-active unit and with regard to the reaction carried out with the respective substrate.
  • redox reactions are the preferred reactions between catalytically redox-active unit and substrate.
  • the term “reducing agent” denotes a chemical compound (chemical substance) which, by donating electrons to another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor), this other chemical compound (chemical substance , Electron donor, electron acceptor) reduced.
  • the reducing agent behaves analogously to an electron donor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron donor which does not directly belong to the redox-active unit.
  • the reducing agent is either a free redox-active substance that is not bound to the nucleic acid oligomer, but is in contact with it, or that the reducing agent is covalently bound to the nucleic acid oligomer, but at a point on the nucleic acid oligomer that connects at least two covalently Nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases are removed from the covalent attachment site of the redox-active unit.
  • the electrode can represent the reducing agent.
  • the term “free redox-active substance” is used to mean a free one that is not covalently linked to the redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, in contact oxidizing or reducing agent called, the free redox active substance z. B. can be an uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase).
  • the free redox-active substance is characterized in that it can reduce (or oxidize) the donor (or the acceptor) of the catalytically redox-active unit.
  • the specific substrate of the catalytically redox-active unit is a free, redox-active substance.
  • the modified nucleic acid oligomer is bound directly or indirectly (via a spacer) to a conductive surface.
  • conductive surface is understood to mean any electrically conductive surface of any thickness, in particular metallic surfaces, surfaces made of metal alloys or doped or undoped semiconductor surfaces, it being possible for all semiconductors to be used as pure substances or as mixtures.
  • the conductive surface can be used alone or on any carrier material, such as, for. B. glass, applied.
  • the term “electrode” is used as an alternative to “conductive surface”.
  • modified conductive surface is understood to mean a conductive surface which is modified by binding a nucleic acid oligomer modified with a catalytically redox-active unit.
  • functionalized electrode is used as an alternative to the term “modified conductive surface”.
  • the present invention relates to a method which enables the electrochemical detection of molecular structures such as e.g. B. the detection of the substrate, but especially the electrochemical detection of DNA / RNA / PNA fragments in a sample solution by sequence-specific nucleic acid oligomer Hybridization enables.
  • the detection of hybridization events by means of electrical signals is a simple and inexpensive method and enables use on site in a battery-operated variant.
  • the present invention provides a readout method for the detection of molecular structures, among other things for the parallel detection of hybridization events on an oligomer chip by reading out electrical signals in a microelectrode array.
  • a read-out method that can be controlled via microelectrodes is understood to mean a method in which the detection of molecular structures on a specific electrode within the electrode array functionalized with catalytically redox-active units by electrical control of this electrode, eg. B. is achieved directly or via cMOS technology.
  • parallel detection of hybridization events can also be achieved either by using different catalytically redox-active units for the individual electrodes of the array when building up the different functionalized electrodes of an electrode array, or by using a continuously conductive surface to build up the functionalized electrodes and the distinguishability of molecular structures on a certain area with identical electrode structure (of a certain test site) within the overall system (of the complete oligomer chip) is achieved by using different catalytically redox-active units for the individual test sites Addition of the specific substrate can be addressed. In the latter variant, the electrochemical response of the entire oligomer chip is detected due to the continuous conductive surface, the addressing and the reading out of the electrochemical response of individual test sites is carried out by the selective addition of the substrate specific for this test site.
  • the invention provides a detection method that can be controlled via microelectrodes for the parallel qualitative and quantitative detection of redox-active substances, the respective substrate of the various catalytically redox-active units of the electrodes within of an electrode array. Binding of a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer
  • a prerequisite for the method according to the invention is the binding of a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer.
  • the catalytically redox-active unit can, for. B. any redox-active protein / enzyme from the group of oxidases or reductases, proteins / enzymes from this group of oxidases or reductases modified by protein engineering or gene mutation or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or . Acceptor) or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or acceptor) and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
  • Examples of a catalytically redox-active unit are:
  • redox active proteins / enzymes such as e.g. B. the oxidoreeductases, some of which are summarized in Table 1 below.
  • the covalent attachment of the catalytically redox-active unit is preferably carried out by covalent attachment of the cofactor with subsequent reconstitution of the apoprotein to the cofactor attached to the nucleic acid oligomer.
  • catalytically redox-active units redox-active proteins / enzymes
  • one of the cofactors is covalently bound to the nucleic acid oligomer and the catalytically redox-active unit is completed by reconstitution with the remaining cofactors and the apoprotein.
  • Table 1 Selection of some redox-active enzymes (oxidoreductases) as examples of catalytically redox-active units.
  • NAD + dependent enzymes such as e.g. B. lactate dehydrogenase (LDH, EC 1.1.1.27) or alcohol dehydrogenase (ADH, EC 1.1.1.1).
  • LDH lactate dehydrogenase
  • ADH alcohol dehydrogenase
  • the catalytically redox-active unit e.g. LDH or ADH
  • the nucleic acid oligomer can be bound to the nucleic acid oligomer by (modified) NAD + directly or via a spacer (Example 3) covalently to the nucleic acid -Oligomer is bound and the NAD + -dependent enzyme is then associated with the (modified) NAD + by noncovalent interaction.
  • Structure 1 Monomer of glucose oxidase (GOx).
  • the apoprotein consists of ⁇ -helical and ß-sheet domains, the coenzyme flavin-adenine dinucleotide (FAD) is shown in the form of the space-filling shallot model.
  • the structure of the FAD is shown in Formula 1. In its native form, the GOx is available as a homodimer.
  • R 1 to R 12 are independently H or any alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent.
  • the catalytically redox-active unit is distinguished according to the invention in that said unit gives off electrons to an oxidizing agent which is likewise covalently bound to the nucleic acid oligomer, or accepts electrons from another reducing agent which is likewise covalently bound to the oligonucleotide, this oxidizing or reducing agent in particular one can be electrically conductive surface (electrode) and the catalytically redox-active unit, in particular the redox-active center of the unit, can be electrooxidized / reduced by applying an external voltage to this electrode in the electrochemically accessible potential range of the electrode.
  • the catalytically redox-active unit is distinguished by the fact that the redox-active center of the unit (directly or after the specific reaction with the substrate) can be oxidized or reduced on an electrode and the original state of the catalytically redox-active unit - before the oxidation or reduction on the electrode - is restored in a specific catalytic reaction by the specific reaction of the catalytically redox-active unit with the associated substrate.
  • any catalytically redox-active unit can be used for this as long as it or the redox-active center of the catalytically redox-active unit can be oxidized and reduced at a potential ⁇ which satisfies the condition 2.0 V> ⁇ > - 2.0 V.
  • the potential here relates to the free, unmodified, redox-active center of the catalytically redox-active unit in one suitable solvent, measured against normal hydrogen electrode.
  • the potential range 1.7 V> ⁇ > - 1.7 V is preferred, the range 1.4 V ⁇ ⁇ > - 1.2 V being particularly preferred and the range 0.9 V> ⁇ > - 0 , 7 V, in which the redox-active centers of the application examples are oxidized (and reduced), is very particularly preferred.
  • the catalytically redox-active unit is characterized in that, by incorporating the catalytically redox-active unit in the electrochemical oxidation or reduction, the substrate specific for the redox-active center of the unit is oxidized or reduced electrocatalytically on an electrode. H. at a potential at which no or only very little current would flow in the absence of the catalytically redox-active unit, or under the formation of a catalytic (additional) current.
  • a catalytically redox-active unit is covalently bound to a nucleic acid oligomer by the reaction of the nucleic acid oligomer with the catalytically redox-active unit or parts thereof (see also section “Ways of carrying out the invention”). This binding can be done in five different ways:
  • a reactive group for binding formation on the nucleic acid oligomer is a free phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group of the oligonucleotide backbone, in particular a group at one of the two ends of the oligonucleotide backbone, used.
  • the free, terminal phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easily typical reactions such.
  • the coupling group (acid, amine, alcohol, thioalcohol or aldehyde function) required for the covalent attachment of the catalytically redox-active unit is either naturally present on the catalytically redox-active unit or is obtained by chemical modification of the catalytically redox-active unit.
  • the connection of the catalytically redox-active unit can take place completely or in parts of the unit with subsequent completion of the catalytically redox-active unit (see below).
  • the nucleic acid oligomer is modified via a covalently linked part of the molecule (spacer) of any composition and chain length (longest continuous chain of bonded atoms), in particular chain length 1 to 14, on the oligonucleotide backbone or on a base with a reactive group , The modification is preferably carried out at one of the ends of the oligonucleotide backbone or at a terminal base.
  • an alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent can be used as spacer.
  • the connection of the catalytically redox-active unit can take place completely or in parts of the catalytically redox-active unit with subsequent completion of the unit (see below).
  • the catalytically redox-active unit e.g.
  • the LDH or ADH can be bound to the nucleic acid oligomer by (modified) NAD + directly (as described here under (a)) or is covalently bound to the nucleic acid oligomer via a spacer (as described here under (b) or in Example 3) and the NAD + -dependent enzyme is then associated with the (modified) NAD + - by noncovalent interaction.
  • a terminal base or a terminal nucleotide is replaced by a cofactor of the catalytically redox-active unit and the catalytically redox-active unit is completed by reconstitution with the catalytically redox-active unit freed from this cofactor (see below).
  • the binding of the catalytically redox-active unit to the nucleic acid oligomer can take place in whole or in part before or after the binding of the nucleic acid oligomer to the conductive surface.
  • a redox-active protein / enzyme consisting of apoprotein and cofactor (s)
  • apoprotein and cofactor s
  • the catalytically redox-active unit instead of the complete catalytically redox-active unit, only the apoprotein, the apoprotein and part of the cofactors or one or more cofactors can be linked and the catalytically redox-active unit is subsequently reconstituted completed with the missing parts.
  • the nucleic acid oligomer can be covalently bound to any naturally occurring or modification-attached reactive group of the protein or - in the case that the redox-active protein / enzyme consists of apoprotein and Cofactor (s) exist - to any reactive group of any arbitrary cofactor that is present naturally or is attached by modification.
  • the covalent attachment to any, naturally present or modification-attached, reactive group of an (arbitrary) cofactor of the protein is preferred.
  • conductive surface is understood to mean any carrier with an electrically conductive surface of any thickness, in particular Surfaces made of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese.
  • any doped or undoped semiconductor surfaces of any thickness can also be used. All semiconductors can be used as pure substances or as mixtures. As non-limiting examples, carbon, silicon, germanium, ⁇ -tin, Cu (l) - and Ag (l) - halides of any crystal structure are mentioned here. Also suitable are all binary compounds of any composition and structure from the elements of groups 14 and 16, the elements of groups 13 and 15, and the elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds of any composition and structure from the elements of Groups 11, 13 and 16 or the elements of groups 12, 13 and 16 can be used. The names of the groups in the Periodic Table of the Elements refer to the 1985 IUPAC recommendation.
  • a nucleic acid oligomer is linked directly or via a linker / spacer to the surface atoms or molecules of a conductive surface of the type described above. This binding can be done in three different ways:
  • a) The surface is modified so that a reactive group of molecules is accessible. This can be done by direct derivatization of the surface molecules, e.g. B. done by wet chemical or electrochemical oxidation / reduction. So z. B. the surface of graphite electrodes can be provided by wet chemical oxidation with aldehyde or carboxylic acid groups. Electrochemically z. B. the possibility by reduction in the presence of aryl diazonium salts the corresponding (functionalized, that is provided with a reactive group) aryl radical or by oxidation in the presence of R'C0 2 H the (functionalized) R 'radical on the graphite Coupling the electrode surface.
  • An example of the direct modification of semiconductor surfaces is the derivatization of silicon surfaces to reactive silanols, ie silicon substrates with Si-OR "groups on the surface, where R" as well as R 'represents any functionalized organic residue (e.g. alkyl, Alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent).
  • R represents any functionalized organic residue (e.g. alkyl, Alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent).
  • the entire surface can be modified by the covalent attachment of a reactive group of a bifunctional linker, so that on the surface a monomolecular layer of any molecules is formed which preferably contain a reactive group at the end.
  • bifunctional linker means any molecule of any chain length, in particular chain lengths 2-14, with two identical (homo-bifunctional) or two different (hetero-bifunctional) reactive groups of molecules
  • At least one of the reactive groups of the homo- or hetero-bifunctional linker is a photo-inducible reactive group, i. H. a group that becomes reactive only through light irradiation of a certain or any wavelength.
  • This linker is applied in such a way that the photoactivatable reactive group is available on the surface after the linker has been covalently bound.
  • the nucleic acid oligomers are covalently attached to the surface modified in this way, whereby they themselves are modified with a reactive group via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14, preferably near one end of the nucleic acid oligomer.
  • the reactive group of the oligonucleotide is a group which reacts directly (or indirectly) with the modified surface to form a covalent bond.
  • a further reactive group can be bound to the nucleic acid oligomers in the vicinity of their second end, this reactive group, in turn, as described above, being attached directly or via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14.
  • the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the nucleic acid oligomer.
  • the nucleic acid oligomer to be applied to the conductive surface is modified with one or more reactive groups via a covalently attached spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14, the reactive groups preferably being in the Is located near one end of the nucleic acid oligomer.
  • the reactive groups are groups that can react directly with the unmodified surface.
  • nucleic acid oligomers of the general formula (nx HS spacer) oligo, (nx RSS spacer) oligo or oligo spacer SS -Spacer-oligo that react with a gold surface to form gold-sulfur bonds or (ii) amines that attach to platinum or silicon surfaces through chemical or physical sorption.
  • a further reactive group can be bound to the nucleic acid oligomers in the vicinity of their second end, this reactive group in turn, as described above, directly or is connected via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14.
  • the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the oligonucleotide.
  • nucleic acid oligomers which are modified with a plurality of spacer-bridged thiol or disulfide bridges ((nx HS spacer) oligo or (nx RSS spacer) oligo) have the advantage that such nucleic acid oligomers at a certain angle of attack against the conductive surface (angle between the surface normal and the helix axis of a double-stranded helical nucleic acid oligomer or between the surface normal and the axis perpendicular to the base pairs of a double-stranded non-helical nucleic acid oligomer) can be applied if the thiol or disulfide Functions to the nucleic acid oligomer spacer, viewed from one end of the nucleic acid, have an increasing or decreasing chain length.
  • the reactive group on the probe nucleic acid oligomer is the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups of the oligonucleotide backbone, in particular terminal groups.
  • the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easy to carry out typical reactions such.
  • the coupling group required for covalent attachment to the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group is part of the surface derivatization with a (monomolecular) layer of any molecular length, as under a) in described in this section, or the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group can react directly with the unmodified surface, as described under b) in this section.
  • a further reactive group can be bound to the oligonucleotides near their second end, this reactive group, in turn, as described above, being attached directly or via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14.
  • the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the nucleic acid oligomer.
  • the nucleic acid oligomer can be bound to the conductive surface before or after the catalytically redox-active unit has been bound to the nucleic acid oligomer.
  • a redox-active protein / enzyme consisting of apoprotein and cofactor (s)
  • the complete catalytically redox-active unit instead of the complete catalytically redox-active unit, only the apoprotein, the apoprotein with some of the cofactors or one or more of the cofactors can be linked, and the catalytically redox-active unit is obtained by subsequent reconstitution completed with the missing parts.
  • the electron-acceptor (or donor), as under b) or c) in the section "Binding a catalytically redox-active unit a nucleic acid oligomer " be bound to or instead of a terminal base on the nucleic acid oligomer and the electron donor (or acceptor) is bound by subsequent covalent attachment to a reactive group of the electron acceptor (or donor) are or, as described under a) in the section "Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer", by subsequent attachment to a terminal reactive group of the nucleic acid oligomer backbone at the same end (see also the section "Ways of carrying out the Invention").
  • the nucleic acid oligomer can be bound to the conductive surface before or after the spacer provided with a reactive group is bound to bind the catalytically redox-active unit.
  • the binding of the already modified nucleic acid oligomer to the conductive surface ie the binding to the surface after the connection of the catalytically redox-active unit to the nucleic acid oligomer or after the connection of parts of the catalytically redox-active unit or after the connection with a reactive group provided spacers for binding the catalytically redox-active unit is also carried out as described under a) to c) in this section.
  • the monofunctional linker has a chain length which is identical to the chain length of the spacer between the surface and the nucleic acid oligomer or which deviates by a maximum of four chain atoms.
  • the nucleic acid-oligomer double strand is thermally dehybridized after the double stranded nucleic acid oligomer and the linker have been bonded to the surface.
  • the simultaneous attachment of a linker to the surface increases the distance between the single-stranded or double-stranded nucleic acid oligomers likewise bound to the surface. If double-stranded nucleic acid oligomer is used, this effect is further enhanced by the subsequent thermal dehybridization.
  • oligomer (DNA) chip to complete the sequence to detect any target nucleic acid oligomer or a (fragmented) target DNA or to detect mutations in the target and detect them in a sequence-specific manner or to detect the presence of known genes or known nucleic acid oligomers.
  • an array of microelectrodes is used, which either consists of electrodes that are individually and directly connected to a current / voltage source, or an electrode array is applied by microstructuring on a common surface, in which the individual electrodes are controlled using cMOS technology and can be read out.
  • the surface atoms or molecules are linked with DNA / RNA / PNA nucleic acid oligomers of known but any sequence, as described above.
  • a single electrode can also be derivatized with a single probe oligonucleotide or a unique type of probe oligonucleotide (with the same base sequence and with the same catalytically redox-active unit).
  • Nucleic acid oligomers eg DNA, RNA or PNA fragments
  • a catalytically redox-active unit is or is bound to the probe nucleic acid oligomers, as described below.
  • parallel detection of hybridization events can also be achieved either by using different catalytically redox-active units for the individual electrodes of the array when building up the different functionalized electrodes of an electrode array, or by using a continuously conductive surface to build up the functionalized electrodes and the distinguishability of molecular structures on a certain area with identical electrode structure (of a certain test site) within the overall system (of the complete oligomer chip) is achieved by using different catalytically redox-active units for the individual test sites Addition of the specific substrate can be addressed. The latter variant is due to the continuous conductive surface, the electrochemical response of the entire oligomer chip is detected, the addressing and reading of the electrochemical response of individual test sites is carried out by the selective addition of the substrate specific for this test site.
  • the modification of the probe nucleic acid oligomers with a catalytically redox-active unit can take place completely or in components of the catalytically redox-active unit either before or after the binding of the probe oligonucleotide to the conductive surface.
  • the various possible combinations of the individual steps (reaction sequences) are demonstrated with the aid of FIG. 2 using the example of a catalytically redox-active unit bound to an electrode via a probe oligonucleotide in the section “Ways of carrying out the invention”.
  • a surface hybrid of the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer unit is formed, "unit" being representative of the catalytically redox-active unit.
  • the bridges can of course also be carried out without a spacer or with only one spacer (Elek-ss-oligo-spacer unit or Elek-Spacer-ss-oligo unit).
  • the unit is glucose oxidase (GOx), a redox-active enzyme consisting of apoprotein and cofactor.
  • GOx glucose oxidase
  • the GOx is covalently linked to the nucleic acid oligomer via its cofactor flavin-adenine dinucleotide (FAD) in the so-called FAD-protein binding pocket of the GOx.
  • FAD cofactor flavin-adenine dinucleotide
  • the GOx forms a 1: 1 complex with the cofactor FAD, the GOx occurring in its natural form as a homodimer, but also having a catalytic activity in the form of a monomer relevant to the invention.
  • the unit is lactate dehydrogenase, an NAD + -dependent enzyme which, by noncovalent interaction, associates with the (modified) NAD + covalently bound to the probe oligonucleotide.
  • the electrochemical communication between the (conductive) surface and the catalytically redox-active unit (“unit”) bridged by a single-strand oligonucleotide in the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer unit is weak or nonexistent.
  • the test sites are brought into contact with the nucleic acid oligomer solution (target) to be examined.
  • Hybridization only occurs in the case in which the solution contains nucleic acid-oligomer strands which are complementary to the probe-nucleic acid oligomers bound to the conductive surface, or at least are complementary in a wide range.
  • Hybridization between probe and target nucleic acid oligomer leads to an increased conductivity between the surface and the catalytically redox-active unit, since this is now bridged by the double-stranded nucleic acid oligomer.
  • Figure 3 shows this schematically using the example of the Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD (GOx).
  • FIG. 4 shows the sequence of the electron transfer steps in Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-FAD (GOx) in detail
  • FIG. 5 shows the example of Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD + -LDH schematically shows
  • Figure 6 shows the sequence of the electron transfer steps in Elek-Spacer-ds-oligo-NAD + - LDH in detail.
  • a sequence specific hybridization event can be carried out by electrochemical methods such as e.g. B. cyclovoltametry, amperometry, potentiometry or conductivity measurements can be detected.
  • the potential of a stationary working electrode is changed linearly as a function of time. Starting from a potential at which there is no electrooxidation or reduction, the potential is changed until the redox-active substance is oxidized or reduced (i.e. current flows). After passing through the oxidation or reduction process, which in the current / voltage curve generates an initially rising current, then a maximum current (peak) and finally a gradually decreasing current, the direction of the potential feed is reversed. The behavior of the products of electrooxidation or reduction is then recorded in the return.
  • catalytically redox-active unit can be electro-oxidized (electroreduced) by applying a suitable, constantly kept electrode potential, but the re-reduction (reoxidation) of the catalytically redox-active unit to the original state is not as in the cyclic voltammetry takes place by changing the electrode potential, but by means of a suitable reducing agent (oxidizing agent), the "redox-active substance" added to the target solution, whereby the circuit of the entire system is closed.
  • a suitable reducing agent oxidizing agent
  • the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor of the enzyme is covalently bound to the probe oligonucleotide and then reconstituted with the glucose oxidase apoprotein (GOx).
  • the resulting surface hybrid of the general structure Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD (GOx) has little or no conductivity between the electrode and the FAD. In the case of hybridization with the target oligonucleotide complementary to "ss-oligo", the conductivity is increased significantly.
  • the FAD of gucose oxidase (FAD (GOx)) is reduced to FADH 2 of glucose oxidase (FADH 2 (GOx)), whereby glucose is oxidized to gluconic acid.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of oligonucleotide sequencing by hybridization on a chip
  • Fig. 2 Different reaction sequences for the production of the surface hybrid Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-FAD (GOx).
  • the catalytically redox-active unit in this surface hybrid is glucose oxidase (GOx) consisting of apoprotein and flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor.
  • the GOx is covalently linked to the oligonucleotide via its cofactor FAD via PQQ and a spacer;
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the amperometric measurement method using the example of the surface hybrid elek-spacer-ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) from FIG. 2 (injection: addition (injection) of the substrate glucose);
  • the apx protein of the GOx is only indicated as a shell (solid line) (see structure 1).
  • the 12 bp probe oligonucleotide of the exemplary sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 ' is shown as a section in the hybridized state;
  • FIG. 5 shows a schematic representation of the amperometric measurement method using the example of the surface hybrid Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD + -LDH (Inj .: addition (injection) of the substrate lactate);
  • the 12 bp probe oligonucleotide of the exemplary sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 ' is shown as a section in the hybridized state;
  • a formation unit of an exemplary test site with hybridized target, Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) of the general structure elek-spacer-ds-oligo-spacer unit is shown in FIG. 4 shown.
  • formation unit is understood to mean the smallest repeating unit of a test site or of a functionalized electrode within the electrode array.
  • the surface is a gold electrode.
  • the connection between gold electrode and probe oligonucleotide was established with the linker (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 , which with the terminal phosphate group at the 3 'end to P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH was esterified and after homolytic cleavage of the SS bond on the gold surface each caused an Au-S bond, with which 2-hydroxy-mercaptoethanol and mercaptoethanol-bridged oligonucleotide was co-adsorbed on the surface.
  • the catalytically redox-active unit in the example in FIG. 4 is glucose oxidase (GOx), a redox-active enzyme consisting of apoprotein and FAD cofactor (s).
  • the modification of the probe oligonucleotides with the complete or with a component of the catalytically redox-active unit can take place either before or after the binding of the probe oligonucleotide to the conductive surface.
  • the various possible combinations of the individual steps, which in principle lead to the same educational unit of a test site or one Functionalized electrode within the electrode array, should be shown below with the help of Figure 2 using the example of the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) or in its more general form as Elek -Spacer-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD (GOx) are shown.
  • the GOx can be freed from the FAD cofactor by simple manipulation (see Example 4), so that GOx can be broken down into two components, FAD and apoprotein.
  • the probe oligonucleotide is provided with (identical or different) reactive groups in the vicinity of the two ends via an (arbitrary) spacer.
  • the probe oligonucleotide modified in this way can covalently bind together with the monofunctional linker in the presence of a monofunctional linker (corresponding to points a) - c) and 2.) in the section "Binding an oligonucleotide to the conductive surface” the electrode is connected, taking care that enough monofunctional linker of suitable chain length is added in order to provide sufficient space between the individual probe oligonucleotides for hybridization with the target oligonucleotide and for the connection of the catalytically redox-active unit.
  • the free, spacer-bridged, reactive group of the probe oligonucleotide PQQ and then N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (formula 5 or example 1) are bound to it.
  • the binding is carried out as described under a) or b) in the section “Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer” or in Example 4.
  • the apoprotein of GOx is then reconstituted on the (modified) FAD cofactor as described in Example 9.
  • reaction sequence "2" the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be covalently bound to the electrode without a free, monofunctional linker (spacer), resulting in a flat attachment of the oligonucleotide. The free, monofunctional linker (spacer) is then covalently bound to the electrode.
  • reaction sequence "3" consists in first modifying the probe oligonucleotide (with spacers and reactive groups) with PQQ and FAD, then covalently binding it to the electrode in the presence of free, monofunctional linker (spacer) and then to reconstitute with the GOx apoprotein.
  • the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be modified with PQQ and FAD, in order to then reconstitute it with the GOx apoprotein and then covalently bind it to the electrode. If, as in the case of the GOx, the catalytically redox-active unit has a substantially larger diameter than the hybridized ds-oligonucleotide (larger than 30 A), the covalent attachment of a suitable free, monofunctional linker (spacer) to the electrode can be dispensed with.
  • the GOx can be freed from the FAD cofactor by simple manipulation (see Example 4), so that GOx can be broken down into two components, FAD and apoprotein.
  • the probe oligonucleotide is provided with (identical or different) reactive groups in the vicinity of the two ends via an (arbitrary) spacer.
  • the probe oligonucleotide modified in this way can covalently attach to the monofunctional linker in the presence of a monofunctional linker (corresponding to points a) - c) and 2.) in the section "Binding an oligonucleotide to the conductive surface") the electrode is connected, taking care that enough monofunctional linker of suitable chain length is added in order to provide sufficient space between the individual probe oligonucleotides for hybridization with the target oligonucleotide and for the connection of the catalytically redox-active unit.
  • the free, spacer-bridged, reactive group of the probe oligonucleotide PQQ and then N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (formula 5 or example 1) are bound to it.
  • the binding is carried out as described under a) or b) in the section “Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer” or in Example 4.
  • the apoprotein of GOx is then reconstituted on the (modified) FAD cofactor as described in Example 9.
  • the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be covalently bound to the electrode without a free, monofunctional linker (spacer), resulting in a flat attachment of the oligonucleotide.
  • the free, monofunctional linker (spacer) is then covalently bound to the electrode.
  • Another possibility (reaction sequence "3") is to first modify the probe oligonucleotide (with spacers and reactive groups) using PQQ and FAD, then covalently attach it to the electrode in the presence of free, monofunctional linker (spacer) and then to reconstitute with the GOx apoprotein.
  • the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be modified with PQQ and FAD, in order to then reconstitute it with the GOx apoprotein and then covalently bind it to the electrode. If, as in the case of the GOx, the catalytically redox-active unit has a substantially larger diameter than the hybridized ds-oligonucleotide (larger than 30 A), the covalent attachment of a suitable free, monofunctional linker (spacer) to the electrode can be dispensed with. otherwise it happens Detect amperometry.
  • the individual electron transfer steps which are triggered by the substrate in the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) are shown in FIG. 4.
  • the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) can also be reversed under suitable external circumstances, so that FAD is reduced by the electrode and reduced FAD (FAD ⁇ or FAD 2- or FADH 2 ) is oxidized by a suitable substrate in a catalytic reaction.
  • FIG. 5 Another test site or another functionalized electrode within the electrode array, Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + -LDH, of the general structure Elek-Spacer-ss-oligo- Spacer unit is shown in Figure 5.
  • ADH substrate lactate By adding the ADH substrate lactate, electrons are transferred to the FMN cofactor of the LDH and from this reduced FMN (FMN- or FMN 2 or FMNH 2 ) directly or with the participation of other cofactors of the LDH to NAD + and finally from reduced NAD + (NAD, NAD- or NADH) can be transferred to the electrode.
  • the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + " -LDH can also be reversed under suitable external circumstances, so that NAD + is reduced by the electrode and reduced NAD + (NAD " NAD " or NADH) is oxidized by a suitable substrate (e.g. acetaldehyde) in a catalytic reaction.
  • a suitable substrate e.g. acetaldehyde
  • test sites nucleic acid-oligomer combinations
  • a specific test site or a specific test site group can be easily applied can be addressed and added by amperometric detection by adding the respective specific substrates.
  • the various test sites therefore do not have to be applied to individual (micro) electrodes which are electrically insulated from one another and can be individually controlled to apply a potential and read out the current.
  • faulty base pairings can be recognized by a changed cyclic voltammetric characteristic.
  • a mismatch manifests itself in a larger potential distance between the current maxima of the electroreduction and the electroreoxidation (reversal of the electroreduction with reversed direction of potential feed) or the electrooxidation and electroreduction in a cyclovoltammetrically reversible electron transfer between the electrically conductive surface and the catalytically redox-active unit. This fact has a particularly favorable effect in amperometric detection, since the current can be tested there at a potential at which the perfectly hybridizing oligonucleotide target delivers significant current, but not the incorrectly paired oligonucleotide target.
  • Example 1 Modification of the FAD to the frf- ⁇ -aminoethyl -FAD, formula 5, or of the NAD * to the f- ⁇ -aminoethyO-NAD * :
  • N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + can also be prepared under the same reaction conditions if NAD + is used as the starting substance instead of FAD.
  • Example 2 Production of the oligonucleotide electrode Au-S-fCH ⁇ ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx): The production of Au-S- (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable monofunctional linker (incubation step), the covalent attachment Test site groups) can be used.
  • test sites nucleic acid-oligomer combinations
  • a specific test site or a specific test site group can be easily applied can be addressed and added by amperometric detection by adding the respective specific substrates.
  • the various test sites therefore do not have to be applied to individual (micro) electrodes which are electrically insulated from one another and can be individually controlled to apply a potential and read out the current.
  • faulty base pairings can be recognized by a changed cyclic voltammetric characteristic.
  • a mismatch manifests itself in a larger potential distance between the current maxima of the electroreduction and the electroreoxidation (reversal of the electroreduction with reversed direction of potential feed) or the electrooxidation and electroreduction in a cyclovoltammetrically reversible electron transfer between the electrically conductive surface and the catalytically redox-active unit. This fact has a particularly favorable effect in amperometric detection, since the current can be tested there at a potential at which the perfectly hybridizing oligonucleotide target delivers significant current, but not the incorrectly paired oligonucleotide target.
  • N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + can also be prepared under the same reaction conditions if NAD + is used as the starting substance instead of FAD.
  • Example 2 Preparation of the oligonucleotide electrode FAD (GOx): The production of Au-S-fCH ⁇ ss-oligo-spacer-PQQ-FADfGOx) is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable one monofunctional linker (incubation step), the covalent linkage the PQQ (redox step I), the binding of the N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (redox step II) and the reconstitution of the apoprotein the GOx (reconstitution step).
  • FAD GOx
  • the carrier material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides is formed by an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelet).
  • mica muscovite platelet
  • gold (99.99%) was applied in a layer thickness of approx. 100 nm by electrical discharge.
  • the gold film was then freed from surface impurities (oxidation of organic deposits) with 30% H 2 0 2 , / 70% H 2 S0 4 and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface.
  • a double-modified 12 bp single-stranded oligonucleotide of the sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 ' was used, which at the phosphate group of the 3' end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH is esterified.
  • the gold electrode modified with a monolayer of ss-oligonucleotide and 2-hydroxy-mercaptoethanol was washed with bidistilled water and then with a solution of 3x10 3 molar quinone PQQ, 10 "2 molar EDC and 10 " 2 molar sulfo-NHS in HEPES buffer wetted.
  • the -CH CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 spacer and the PQQ form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-7 carboxylic acid function of the PQQ, redox step I).
  • the gold electrode modified in this way was then washed with bidistilled water and with a solution of 1-10 x 10 "3 molar quinone N 6 - (2-aminoethyl) - FAD, 1-5 x 10 " 2 molar EDC and 10 "2 molar sulfo -NHS wetted in HEPES buffer After a reaction time of about 1-4 h, PQQ and the N 6 - (2-aminoethyl) -FAD form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-2-carboxylic acid function of the the oligonucleotide-bound PQQ, redox step II)
  • Example 3 Preparation of the oligonucleotide electrode Au-S- (CH ⁇ 2 -ss-oligo-spacer-PQQ NAD * LDH: The production of Au-S- (CH 2) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ -NAD + -LDH is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable monofunctional linker (incubation step), the covalent attachment of the PQQ (redox step I), the attachment of the N 6 - (2-Aminoethyl) -NAD + (redox step II) and the association with LDH (association step).
  • the carrier material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides is formed by an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelet).
  • mica muscovite platelet
  • gold (99.99%) was applied in a layer thickness of approx. 100 nm by electrical discharge.
  • the gold film was then freed from surface impurities (oxidation of organic deposits) with 30% H 2 0 2 , / 70% H 2 S0 4 and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface.
  • a double-modified 12 bp single-strand oligonucleotide of the sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 ' was used for the incubation, which was attached to the phosphate group of the 3' end is esterified with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to give P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH.
  • the spacer forms a covalent Au-S bond with the Au atoms on the surface, which leads to a 1: 1 coadsorption of the SS oligonucleotide and the split off 2-hydroxy-mercaptoethanol.
  • the free 2-hydroxy-mercaptoethanol which is simultaneously present in the incubation solution is also adsorbed by forming an Au-S bond (incubation step).
  • the gold electrode modified in this way was then washed with bidistilled water and with a solution of 1-10 x 10 "3 molar quinone N 6 - (2-aminoethyl) - NAD + , 1-5 x 10 " 2 molar EDC and 10 "2 molar sulfo-NHS wetted in HEPES buffer After a reaction time of about 1 to 4 h, PQQ and the N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-2-carboxylic acid function of the PQQ bound to the oligonucleotide, redox step II)
  • the protein peak is eluted at a flow rate of 1.3 mUmin and collected in a storage container with 0.4 molar phosphate buffer (4 ml with the addition of 200 mg bovine serum albumin and 400 mg activated carbon) (the protein peak can be recognized by UV absorption of the eluate) ,
  • 10% sodium azide in water (w / v) is added until the total concentration of sodium azide is 0.1% (w / v).

Abstract

The present invention relates to a method for electrochemically detecting sequence-specific nucleic acid-oligomer hybridisation events. DNA-/RNA-/PNA oligomer single strands which are bound to a conductive surface at one end and are linked to a catalytic redoxactive unit at the remaining, free end serve as a hybridisation matrix (probe). A proportion of the single strand oligonucleotides are hybridised by means of a treatment with the oligonucleotide solution (target) that is to be examined. The electric communication between the conductive surface and the catalytic redoxactive unit, which is initially non- or barely existent, is increased. A hybridisation event can thus be detected using electrochemical methods such as voltametry, amperometry, potentiometry or conductivity measurement.

Description

Elektrochemische Detektion von sequenzspezifischen Nukleinsäure-Oligomer- Electrochemical detection of sequence-specific nucleic acid oligomer
Hybridisierungsereignissen.Hybridization events.
Technisches GebietTechnical field
Die vorliegende Erfindung betrifft ein modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer, sowie ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von sequenzspezifischen Nukleinsäure- Oligomer-Hybridisierungsereignissen.The present invention relates to a modified nucleic acid oligomer and a method for the electrochemical detection of sequence-specific nucleic acid oligomer hybridization events.
Stand der TechnikState of the art
Zur Sequenzanalyse von DNA und RNA, z. B. in der Krankheitsdiagnose, bei toxikologischen Testverfahren, in der genetischen Forschung und Entwicklung, sowie auf dem Agrar- und pharmazeutischen Sektor, werden im allgemeinen gel- elektrophoretische Verfahren mit autoradiographischer oder optischer Detektion verwendet.For sequence analysis of DNA and RNA, e.g. B. in disease diagnosis, in toxicological test methods, in genetic research and development, and in the agricultural and pharmaceutical sector, gel electrophoretic methods with autoradiographic or optical detection are generally used.
Beim wichtigsten gel-elektrophoretischen Verfahren mit optischer Detektion, dem Sanger-Verfahren wird eine DNA enthaltende Lösung in vier Ansätze aufgeteilt. Zur Unterscheidung der vier Ansätze ist der Primer (komplementäre Startsequenz zur Replikation) jedes Ansatzes mit je einem bei verschiedener Wellenlänge emitierenden Fluoreszenzfarbstoff kovalent modifiziert. Ausgehend vom Primer wird jeder Ansatz durch DNA-Polymerase I enzymatisch repliziert. Neben den dazu nötigen Desoxyribonucleosid-Triphosphaten der Basen A (Adenin), T (Thymin), C (Cytosin), und G (Guanin) enthält jedes Reaktionsgemisch noch genügend 2', 3'- Didesoxyanalogon eines dieser Nukleosidtriphosphate als Stopbase (je eine der 4 möglichen Stopbasen pro Ansatz), um die Replikation an allen möglichen Bindungsstellen zu stoppen. Nach Vereinigung der vier Ansätze entstehen replizierte DNA-Fragmente aller Längen mit stopbasenspezifischer Fluoreszenz, die gel- elektrophoretisch der Länge nach sortiert und durch Fluoreszenz-Spektroskopie charakterisiert werden können.In the most important gel-electrophoretic method with optical detection, the Sanger method, a DNA-containing solution is divided into four batches. To distinguish the four approaches, the primer (complementary start sequence for replication) of each approach is covalently modified with a fluorescent dye that emits at different wavelengths. Starting from the primer, each batch is replicated enzymatically by DNA polymerase I. In addition to the necessary deoxyribonucleoside triphosphates of bases A (adenine), T (thymine), C (cytosine) and G (guanine), each reaction mixture contains enough 2 ', 3'-dideoxy analogue of one of these nucleoside triphosphates as a stop base (one of each 4 possible stop bases per approach) to stop replication at all possible binding sites. After combining the four approaches, replicated DNA fragments of all lengths with stop-base-specific fluorescence are formed, which can be sorted by gel electrophoresis according to the length and characterized by fluorescence spectroscopy.
Ein anderes optisches Detektionsverfahren basiert auf der Anlagerung von Fluoreszenzfarbstoffen wie z. B. Ethidiumbromid an Oligonukleotide. Im Vergleich zur freien Lösung des Farbstoffs ändert sich die Fluoreszenz solcher Farbstoffe bei Assoziation mit doppelsträngiger DNA oder RNA drastisch und kann deshalb zum Nachweis hybridisierter DNA oder RNA verwendet werden. Bei der radioaktiven Markierung wird 32P in das Phosphatgerüst der Oligonukleotide eingebaut, wobei 32P gewöhnlich am 5'-Hydroxylende durch Polynukleotid-Kinase addiert wird. Die markierte DNA wird anschließend an jeweils einem der vier Nukleotidtypen bevorzugt gespalten und zwar unter definierten Bedingungen, so dass pro Kette durchschnittlich eine Spaltung erfolgt. Damit liegen im Reaktionsgemisch für einen bestimmten Basentyp Ketten vor, die sich von der 32P-Markierung bis zur Position dieser Base erstrecken (bei mehrfachem Auftreten der Base erhält man entsprechend Ketten unterschiedlicher Länge). Die vier Fragmentgemische werden anschließend auf vier Bahnen gel-elektrophoretisch aufgetrennt. Danach wird vom Gel ein Autoradiogramm angefertigt, an dem die Sequenz unmittelbar abgelesen werden kann.Another optical detection method is based on the attachment of fluorescent dyes such. B. Ethidium bromide on oligonucleotides. In comparison to the free solution of the dye, the fluorescence of such dyes changes drastically when associated with double-stranded DNA or RNA and can therefore be used to detect hybridized DNA or RNA. In the case of radioactive labeling, 32 P is incorporated into the phosphate skeleton of the oligonucleotides, 32 P usually being added at the 5'-hydroxyl end by polynucleotide kinase. The labeled DNA is then preferably cleaved on one of the four nucleotide types, under defined conditions, so that an average cleavage occurs per chain. This means that there are chains in the reaction mixture for a certain base type, which extend from the 32 P mark to the position of this base (if the base occurs more than once, chains of different lengths are obtained). The four fragment mixtures are then separated by gel electrophoresis on four lanes. An autoradiogram is then made from the gel, from which the sequence can be read immediately.
Vor einigen Jahren wurde ein weiteres, auf optischer (oder autoradiographischer) Detektion beruhendes Verfahren zur DNA-Sequenzierung entwickelt, nämlich die Sequenzierung durch Oligomer-Hybridisierung (vgl. z. B. Drmanac et al., Genomics 4, (1989), S. 114-128 oder Bains et al., Theor. Biol. 135, (1988), S. 303-307). Bei diesem Verfahren wird ein vollständiger Satz kurzer Oligonukleotide bzw. Nukleinsäure- Oligomere (Sonden-Oligonukleotide), z. B. alle 65536 möglichen Kombinationen der Basen A, T, C und G eines Oligonukleotid-Oktamers auf ein Trägermaterial gebunden. Die Anbindung geschieht in einem geordneten Raster aus 65536 Test-Sites, wobei jeweils eine größere Menge einer Oligonukleotid-Kombination ein Test-Site definieren und die Position jeder einzelnen Test-Site (Oligonukleotid-Kombination) bekannt ist. Auf solch einer Hybridisierungsmatrix, dem Oligomer-Chip, wird ein DNA-Fragment, dessen Sequenz man ermitteln will (das Target), mit Fluoreszenzfarbstoff (oder 32P) markiert und unter Bedingungen, die nur eine spezifische Doppelstrangbildung erlauben, hybridisiert. Dadurch bindet das Target DNA-Fragment nur an die Nukleinsäure- Oligomere (im Beispiel an die Oktamere), deren komplementäre Sequenz exakt einem Teil (einem Oktamer) seiner eigenen Sequenz entspricht. Durch optische (oder autoradiographische) Detektion der Bindungsposition des hybridisierten DNA- Fragments werden damit alle im Fragment vorhandenen Nukleinsäure- Oligomersequenzen (Oktamersequenzen) bestimmt. Aufgrund der Überlappung benachbarter Nukleinsäure-Oligomersequenzen kann durch geeignete mathematische Algorithmen die fortlaufende Sequenz des DNA-Fragments bestimmt werden. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen unter anderem in der Miniaturisierung der Sequenzierung und damit in der enormen Datenmenge, die gleichzeitig in einem Arbeitsgang erfaßt wird. Daneben kann auf Primer und auf das gel-elektrophoretische Auftrennen der DNA-Fragmente verzichtet werden. Beispielhaft ist dieses Prinzip in Figur 1 für ein 13 Basen langes DNA-Fragment gezeigt. Neben der sogenannten de-novo Sequenzierung bisher unbekannter Oligonukleotide- Sequenzen können auf dem oben beschriebenen Oligomer-Chip auch Oligonukleotid- Sequenzen bzw. DNA-Fragmente gebunden werden, die ein oder mehrere bekannte Gene kodieren. So kann z. B. für jedes gesuchte Gen bekannter Basensequenz eine ausreichende Anzahl von Oligonukleotid-Sequenzen aus z. B. je 20 Basen, die zu entsprechenden Sequenzabschnitten des gesuchten Gens mit bekannter Basensequenz komplimentär sind, auf einem Trägermaterial aufgebracht werden, um dieses Gen mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit nachzuweisen. Andererseits können auf einem Oligomer-Chip auch bekannte Gen auf Mutationen hin geprüft werden, indem z. B. die entsprechenden Sequenzenabschnitte der Gene mit und ohne Mutation auf dem Trägermaterial aufgebracht werden.A few years ago, a further method for DNA sequencing based on optical (or autoradiographic) detection was developed, namely sequencing by oligomer hybridization (cf. e.g. Drmanac et al., Genomics 4, (1989), S. 114-128 or Bains et al., Theor. Biol. 135, (1988), pp. 303-307). In this method, a complete set of short oligonucleotides or nucleic acid oligomers (probe oligonucleotides), e.g. B. all 65536 possible combinations of bases A, T, C and G of an oligonucleotide octamer are bound to a support material. The connection is made in an ordered grid of 65536 test sites, a larger amount of an oligonucleotide combination defining a test site and the position of each individual test site (oligonucleotide combination) being known. On such a hybridization matrix, the oligomer chip, a DNA fragment, the sequence of which is to be determined (the target), is labeled with fluorescent dye (or 32 P) and hybridized under conditions which only permit specific double-strand formation. As a result, the target DNA fragment only binds to the nucleic acid oligomers (in the example to the octamers) whose complementary sequence corresponds exactly to a part (an octamer) of its own sequence. By optical (or autoradiographic) detection of the binding position of the hybridized DNA fragment, all nucleic acid oligomer sequences (octamer sequences) present in the fragment are thus determined. Due to the overlap of neighboring nucleic acid oligomer sequences, the continuous sequence of the DNA fragment can be determined by suitable mathematical algorithms. The advantages of this method include the miniaturization of the sequencing and thus the enormous amount of data that is recorded simultaneously in one operation. In addition, primers and the gel electrophoretic separation of the DNA fragments can be dispensed with. This principle is shown by way of example in FIG. 1 for a 13 base long DNA fragment. In addition to the so-called de-novo sequencing of previously unknown oligonucleotide sequences, oligonucleotide sequences or DNA fragments which code one or more known genes can also be bound on the oligomer chip described above. So z. B. for each gene of known base sequence searched a sufficient number of oligonucleotide sequences from z. B. 20 bases each, which are complementary to corresponding sequence sections of the gene sought with a known base sequence, are applied to a support material in order to detect this gene with a very high probability. On the other hand, known genes can also be tested for mutations on an oligomer chip, for example by B. the corresponding sequence segments of the genes with and without mutation can be applied to the carrier material.
Die Verwendung radioaktiver Markierungen bei der DNA-/RNA-Sequenzierung ist mit mehreren Nachteilen verbunden, wie z. B. aufwendige, gesetzlich vorgeschriebene Sicherheitsvorkehrungen beim Umgang mit radioaktiven Materialien, die Strahlenbelastung, das begrenzte räumliche Auflösungsvermögen (maximal 1mm2) und eine Sensitivität, die nur dann hoch ist, wenn die Strahlung der radioaktiven Fragmente entsprechend lange (Stunden bis Tage) auf einen Röntgenfilm einwirkt. Es kann zwar die räumliche Auflösung durch zusätzliche Hard- und Software erhöht und die Detektionszeit durch die Verwendung von ß-Scannern verkürzt werden, beides ist jedoch mit erheblichen zusätzlichen Kosten verbunden.The use of radioactive labels in DNA / RNA sequencing has several disadvantages, such as e.g. B. complex, legally prescribed safety precautions when handling radioactive materials, the radiation exposure, the limited spatial resolution (maximum 1mm 2 ) and a sensitivity that is only high if the radiation of the radioactive fragments for a correspondingly long (hours to days) X-ray film acts. Although the spatial resolution can be increased by additional hardware and software and the detection time can be shortened by using β scanners, both are associated with considerable additional costs.
Die Fluoreszenzfarbstoffe, die üblicherweise zur Markierung der DNA verwendet werden, sind zum Teil (z. B. Ethidiumbromid) mutagen und erfordern, ebenso wie die Anwendung der Autoradiographie, entsprechende Sicherheitsvorkehrungen. In fast allen Fällen erfordert die Verwendung optischer Detektion den Gebrauch von einem oder mehreren Lasersystemen und somit geschultes Personal und entsprechende Sicherheitsvorkehrungen. Die eigentliche Detektion der Fluoreszenz erfordert zusätzliche Hardware, wie z. B. optische Bauelemente zur Verstärkung und, bei verschiedenen Anregungs- und Abfragewellenlängen wie im Sanger-Verfahren, ein Kontrollsystem. Abhängig von den benötigten Anregungswellenlängen und der gewünschten Detektionsleistung können somit erhebliche Investitionskosten entstehen. Bei der Sequenzierung durch Hybridisierung auf dem Oligomer-Chip ist die Detektion noch (kosten)aufwendiger, da, neben dem Anregungssystem, zur 2-dimensionalen Detektion der Fluoreszenzspots hochauflösende CCD-Kameras (Charge Coupled Device Kameras) benötigt werden.The fluorescent dyes, which are usually used to label the DNA, are partly mutagenic (e.g. ethidium bromide) and, like the use of autoradiography, require corresponding safety precautions. In almost all cases, the use of optical detection requires the use of one or more laser systems and thus trained personnel and appropriate safety precautions. The actual detection of fluorescence requires additional hardware, such as. B. optical components for amplification and, at different excitation and interrogation wavelengths as in the Sanger process, a control system. Depending on the required excitation wavelengths and the desired detection power, considerable investment costs can arise. In the case of sequencing by hybridization on the oligomer chip, the detection is even more (expensive) because, in addition to the excitation system, high-resolution CCD cameras (charge coupled device cameras) are required for the 2-dimensional detection of the fluorescence spots.
Obwohl es also quantitative und extrem sensitive Methoden zur DNA-/RNA- Sequenzierung gibt, sind diese Methoden zeitaufwendig, bedingen aufwendige Probenpräparation und teure Ausstattung und sind im allgemeinen nicht als transportable Systeme verfügbar.So, although there are quantitative and extremely sensitive methods for DNA / RNA sequencing, these methods are time-consuming and time-consuming Sample preparation and expensive equipment and are generally not available as portable systems.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybriden zu schaffen, welche die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.The object of the present invention is therefore to create a device and a method for the detection of nucleic acid-oligomer hybrids which do not have the disadvantages of the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer gemäß unabhängigem Patentanspruch 1, durch das Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers gemäß unabhängigem Anspruch 22, durch die modifizierte leitfähige Oberfläche gemäß unabhängigem Patentanspruch 34, das Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche gemäß unabhängigem Patentanspruch 49 und ein Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybridisierungsereignissen gemäß unabhängigen Patentanspruch 53 gelöst.This object is achieved according to the invention by the modified nucleic acid oligomer according to independent patent claim 1, by the method for producing a modified nucleic acid oligomer according to independent claim 22, by the modified conductive surface according to independent patent claim 34, by the method for producing a modified conductive surface according to independent patent claim 34 Claim 49 and a method for the electrochemical detection of nucleic acid-oligomer hybridization events according to independent claim 53.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Abkürzungen und Begriffe benutzt:The following abbreviations and terms are used in the context of the present invention:
DNA DesoxyribonukleinsäureDNA deoxyribonucleic acid
RNA RibonukleinsäureRNA ribonucleic acid
PNA Peptidnukleinsäure (synthetische DNA oder RNA, bei der die Zucker-Phosphat Einheit durch eine Aminosäure ersetzt ist. Bei Ersatz der Zucker-Phosphat Einheit durch die -NH-(CH2)2- N(COCH2-Base)-CH2CO- Einheit hybridisiert PNA mit DNA.)PNA Peptide nucleic acid (synthetic DNA or RNA in which the sugar-phosphate unit is replaced by an amino acid. When the sugar-phosphate unit is replaced by the -NH- (CH 2 ) 2 - N (COCH 2 base) -CH 2 CO - Unit hybridizes PNA with DNA.)
A AdeninA adenine
G GuaninG guanine
C CytosinC cytosine
T Thymin u UracilT thymine and uracil
Base A, G, T, C oder U Bp BasenpaarBase A, G, T, C or U Bp base pair
Nukleinsäure wenigstens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- (z. B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z. B. Adenin oder Guanin). Der Begriff Nukleinsäure bezieht sich auf ein beliebiges "Rückgrat" der kovalent verbundenen Pyrimidin- oder Purin-Basen, wie z. B. auf das Zucker-Phosphat Rückgrat der DNA, cDNA oder RNA, auf ein Peptid-Rückgrat der PNA oder auf analoge Strukturen (z. B. Phosphoramid-, Thio-Phosphat- oder Dithio-Phosphat-Rückgrat). Wesentliches Merkmal einer Nukleinsäure im Sinne der vorliegenden Erfindung ist, dass sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann.Nucleic acid at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or guanine). The term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. on the sugar-phosphate backbone of the DNA, cDNA or RNA, on a peptide backbone of the PNA or on analogous structures (e.g. phosphoramide, thio-phosphate or dithio-phosphate backbone). An essential feature of a nucleic acid in the sense of the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA in a sequence-specific manner.
Nukleinsäure- Nukleinsäure nicht näher spezifizierter Basenlänge (z. B. Oligomer Nukleinsäure-Oktamer: eine Nukleinsäure mit beliebigem Rückgrat, bei dem 8 Pyrimidin- oder Purin-Basen kovalent aneinander gebunden sind).Nucleic acid - nucleic acid of unspecified base length (e.g. oligomeric nucleic acid octamer: a nucleic acid with any backbone in which 8 pyrimidine or purine bases are covalently bonded to one another).
Oligomer Äquivalent zu Nukleinsäure-Oligomer.Oligomer equivalent to nucleic acid oligomer.
Oligonukleotid Äquivalent zu Oligomer oder Nukleinsäure-Oligomer, also z. B. ein DNA, PNA oder RNA Fragment nicht näher spezifizierter Basenlänge.Oligonucleotide equivalent to oligomer or nucleic acid oligomer, e.g. B. a DNA, PNA or RNA fragment unspecified base length.
Oligo Abkürzung für Oligonukleotid.Oligo Abbreviation for oligonucleotide.
Primer Start-Komplementär-Fragment eines Oligonukleotids, wobei die Basenlänge des Primers nur ca. 4-8 Basen beträgt. Dient als Ansatzpunkt für die enzymatische Replikation des Oligonukleotids.Primer start complementary fragment of an oligonucleotide, the base length of the primer being only about 4-8 bases. Serves as a starting point for the enzymatic replication of the oligonucleotide.
Mismatch Zur Ausbildung der Watson Crick Struktur doppelsträngiger Oligonukleotide hybridisieren die beiden Einzelstränge derart, dass die Base A (bzw. C) des einen Strangs mit der Base T (bzw. G) des anderen Strangs Wasserstoffbrücken ausbildet (bei RNA ist T durch Uracil ersetzt). Jede andere Basenpaarung bildet keine Wasserstoffbrücken aus, verzerrt die Struktur und wird als „Mismatch" bezeichnet.Mismatch To form the Watson Crick structure of double-stranded oligonucleotides, the two single strands hybridize in such a way that the base A (or C) of one strand forms hydrogen bonds with the base T (or G) of the other strand (in RNA, T is replaced by uracil) , Any other base pairing does not form hydrogen bonds, distorts the structure and is referred to as a "mismatch".
SS Single Strand (Einzelstrang) ds double Strand (Doppelstrang) redoxaktive Einheit entspricht einer katalytisch redoxaktiven Einheit katalytisch eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem redoxaktive Einheit Oberbegriff "katalytisch redoxaktive Einheit" bezeichnete Einheit besteht in der Regel aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Cofaktoren, prosthetischen Gruppen), die im folgenden als Elektron-Donoren bzw. Elektron Akzeptoren bezeichnet werden, und einem oder mehreren diese redoxaktiven Zentren bindenden Makromolekülen. Die katalytisch redoxaktive Einheit enthält also in ihrer erfindungsrelevanten Erscheinungsform ein oder mehrere Elektron-Donor-Moleküle und/oder ein oder mehrere Elektron- Akzeptor-Molekülen, wobei dieses (diese) Elektron-Donor- Molekül(e) und/oder dieses (diese) Elektron-Akzeptor- Molekül(e) an ein oder mehrere Makromoleküle gebunden ist/wird bzw. in diese(s) Makromolekül(e) eingebettet ist. Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) können untereinander durch eine oder mehrere kovalente oder ionische Bindungen, durch Wasserstoff-Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, durch π-π-Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und - Akzeptation miteinander verbunden sein, wobei kovalente Verbindungen direkte oder indirekte (z. B. über einen Spacer, nicht aber über ein Nukleinsäure-Oligomer) Verbindungen sein können. Daneben können die Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) mit dem (den) Makromolekül(en) durch kovalente Anbindung an das (die) Makromolekül(e), durch Einkapseln in passende molekulare Kavitäten (Bindungstaschen) des Makromoleküls (der Makromoleküle), durch ionische Bindungen, Wasserstoff- Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, π-π- Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und -Akzeptation zwischen dem(n) Makromolekül(en) und dem(n) Elektron-Donor-Molekül(en) und/oder dem(n) Elektron-Akzeptor-Molekül(en) verbunden sein. Sind mehrere Makromoleküle Bestandteil der katalytisch redoxaktiven Einheit kann die Bindung der Makromoleküle untereinander ebenfalls kovalent, ionisch, durch Wasserstoff- Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, π-π- Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und -Akzeptation erfolgen. Eine katalytisch redoxaktive Einheit kann im Minimalfall auch nur aus einem Makromolekül bestehen, wobei das Makromolekül dann in seiner erfindungsrelevanten Erscheinungsform auch als Elektron-Donor bzw. -Akzeptor wirkt. Sie kann auch nur aus einem Elektron-Donor bzw. -Akzeptor bestehen. Daneben kann die katalytisch redoxaktive Einheit auch durch spontane Zusammenlagerung der Bestandteil in Lösung (in situ) gebildet werden. Wesentliche Merkmale der katalytisch redoxaktiven Einheit sind neben der Zusammensetzung aus Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) und Makromolekül(en): (i) die Einheit ist in den erfindungsrelevanten Erscheinungsformen (Elektron- Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) im ursprünglichen bzw. oxidierten oder reduzierten Zustand) stabil und dissoziiert nicht in ihre Bestandteile, (ii) die elektrokatalytische Aktivität der Einheit (siehe unten), (iii) die Einheit enthält keine Nukleinsäure, (iv) die Zusammensetzung der Einheit aus Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) und/oder Makromolekül(en) kann - unabhängig von der Bindung zwischen den Bestandteilen - vom Fachmann erkannt werden, da die redoxaktiven Zentren (Cofaktoren, prosthetischen Gruppen) und die zugehörige Matrix aus Makromolekül(en) (z. B. das Apoprotein bei Enzymen als Beispiel einer katalytisch redoxaktiven Einheit) prinzipiell auch getrennt voneinander vorkommen können. Die katalytisch redoxaktive Einheit kann z. B. jedes beliebige redoxaktive Protein/Enzym aus der Gruppe der Oxidasen bzw. der Reduktasen, durch Proteinengineering oder Genmutation veränderte Proteine/Enzyme aus dieser Gruppe der Oxidasen bzw. Reduktasen oder eine künstlich hergestellte Einheiten aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Elektron- Donor bzw. Akzeptor) bzw. eine künstlich hergestellte Einheiten aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Elektron-Donor bzw. Akzeptor) und einem oder mehreren diese redoxaktiven Zentren bindenden Makromolekülen sein.SS Single Strand ds double Strand redox-active unit corresponds to a catalytically redox-active unit catalytically a unit referred to in the context of the present invention under the redox-active unit generic term "catalytically redox-active unit" consists of one or more redox-active centers (cofactors, prosthetic groups), hereinafter referred to as electron donors or electron acceptors, and one or more macromolecules binding these redox-active centers. The catalytically redox-active unit thus contains one or more electron-donor molecules and / or one or more electron-acceptor molecules in their appearance-relevant form, whereby this electron-donor molecule (s) and / or this (these) Electron acceptor molecule (s) is / is bound to one or more macromolecules or is embedded in this (s) macromolecule (s). Electron donor (s) and / or electron acceptor (s) can be mutually linked by one or more covalent or ionic bonds, by hydrogen bonds, by van der Waals bridges, by π-π interaction or by coordination be connected to one another by means of electron pair donation and acceptance, it being possible for covalent compounds to be direct or indirect (eg via a spacer but not via a nucleic acid oligomer) compounds. In addition, the electron donor (s) and / or electron acceptor (s) with the macromolecule (s) by covalent attachment to the macromolecule (s), by encapsulation in suitable molecular cavities (binding pockets) of the Macromolecule (of the macromolecules), by ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals bridges, π-π interaction or by coordination by means of electron pair donation and acceptance between the macromolecule (s) and the (n) electron donor molecule (s) and / or the electron acceptor molecule (s). If several macromolecules are part of the catalytically redox-active unit, the binding of the macromolecules to one another can also be covalent, ionic, through hydrogen bonds, van-der-Waals bonds, π-π- Interaction or by coordination by means of electron pair donation and acceptance. In a minimal case, a catalytically redox-active unit can also consist of only one macromolecule, the macromolecule then also acting as an electron donor or acceptor in its manifestation relevant to the invention. It can also consist of only one electron donor or acceptor. In addition, the catalytically redox-active unit can also be formed by spontaneously assembling the component in solution (in situ). In addition to the composition of electron donor (s) and / or electron acceptor (s) and macromolecule (s), essential features of the catalytically redox-active unit are: (i) the unit is in the manifestations relevant to the invention (electron donor (s) and / or electron acceptor (s) in the original or oxidized or reduced state) stable and does not dissociate into its components, (ii) the electrocatalytic activity of the unit (see below), (iii) the unit contains no nucleic acid, (iv) The composition of the unit consisting of electron donor (s) and / or electron acceptor (s) and / or macromolecule (s) can be recognized by a person skilled in the art - regardless of the bond between the components - since the redox-active centers (cofactors, prosthetic Groups) and the associated matrix of macromolecule (s) (e.g. apoprotein in the case of enzymes as an example of a catalytically redox-active unit) can in principle also occur separately from one another. The catalytically redox-active unit can, for. B. any redox-active protein / enzyme from the group of oxidases or reductases, proteins / enzymes from this group of oxidases or reductases modified by protein engineering or gene mutation or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or . Acceptor) or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or acceptor) and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
Cofaktor entspricht einem redoxaktiven Zentrum (Elektron-Donor bzw. Akzeptor) der katalytisch redoxaktiven Einheit prosthetische Gruppe entspricht einem redoxaktiven Zentrum (Elektron-Donor bzw. Akzeptor) der katalytisch redoxaktiven Einheit redoxaktives das redoxaktives Zentrum der katalytisch redoxaktiven Einheit Zentrum der zeichnet sich dadurch aus , dass es gegenüber einem für die katalytisch katalytisch redoxaktive Einheit spezifischen Substrat als redoxaktiven Einheit Elektron-Donor bzw. -Akzeptor wirkt. Besitzt eine katalytisch redoxaktive Einheit mehrere redoxaktive Zentren (Elektron- Donoren und/oder Elektron-Akzeptoren) kann es zudem zu einer Ladungsübertragung innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit kommen: Nach dem Ladungstransfer zwischen dem für die katalytisch redoxaktive Einheit spezifischen Substrat und einem ersten redoxaktiven Zentrum ist ein weiterer Ladungstransfer zwischen diesem ersten redoxaktiven Zentrum und einem weiteren redoxaktiven Zentrum derselben katalytisch redoxaktiven Einheit möglich, wobei dieses zweite redoxaktive Zentrum wiederum Ladung auf ein drittes redoxaktives Zentrum transferierren kann usw.. Innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit kann es also zu einem sukzessiven Ladungstransfer kommen, wenn die katalytisch redoxaktiven Einheit mehrere redoxaktive Zentren enthält. Dabei wird der Prozess der sukzessiven Ladungstransfers durch die Gegenwart des für die katalytisch redoxaktiven Einheit spezifischen Substrats (mit seiner Eigenschaft spontan eine Ladung zwischen Substrat und katalytisch redoxaktiver Einheit zu transferieren) initiiert.Cofactor corresponds to a redox-active center (electron donor or acceptor) of the catalytically redox-active unit prosthetic group corresponds to a redox-active center (electron donor or acceptor) of the catalytically redox-active unit, the redox-active center, the redox-active center of the catalytically redox-active unit, the center, which is distinguished by the fact that it acts as a redox-active unit as a redox-active unit compared to a substrate specific for the catalytically, Donor or acceptor acts. If a catalytically redox-active unit has several redox-active centers (electron donors and / or electron acceptors), a charge transfer can also occur within the catalytically redox-active unit: after the charge transfer there is between the substrate specific for the catalytically redox-active unit and a first redox-active center a further charge transfer between this first redox-active center and a further redox-active center of the same catalytically redox-active unit is possible, this second redox-active center in turn being able to transfer charge to a third redox-active center, etc. So there can be a successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, if the catalytically redox-active unit contains several redox-active centers. The process of successive charge transfer is initiated by the presence of the substrate specific for the catalytically redox-active unit (with its property of spontaneously transferring a charge between the substrate and the catalytically redox-active unit).
Elektron-Donor- entspricht einem Elektron-Donor. MolekülElectron donor- corresponds to an electron donor. molecule
Elekron-Akzeptor- entspricht einem Elektron-Akzeptor. MolekülElekron acceptor corresponds to an electron acceptor. molecule
Elektron-Donor Der Begriff Elektron-Donor bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Bestandteil der katalytisch redoxaktiven Einheit. Bei einem Elektron-Donor handelt es sich um ein Molekül, das unmittelbar oder nach Einwirkung bestimmter äußerer Umstände ein Elektron an einen Elektron- Akzeptor transferieren kann. Ein solcher äußerer Umstand ist z. B. die Oxidation oder Reduktion des Elektron-Donors oder - Akzeptors der katalytisch redoxaktiven Einheit durch ein externes Oxidations- oder Reduktionsmittel sein, also z. B. die Übertragung eines Elektrons auf den Elektron-Donor durch ein Reduktionsmittel bzw. die Abgabe eines Elektrons durch den Elektron-Akzeptor an ein Oxidationsmittel sein. Diese Oxidations- bzw. Reduktionsmittel können externe redoxaktive Substanzen sein, d. h. sie sind nicht kovalent mit der katalytisch redoxaktiven Einheit, dem Nukleinsäure- Oligomer oder der leitfähigen Oberfläche verbunden, stehen aber mit diesen, z. B. über die der modifizierten leitfähigen Oberfläche zugefügte Lösung, in Kontakt, wobei insbesondere die für die katalytisch redoxaktive Einheit spezifischen Substrate als externe Oxidations- oder Reduktionsmittel wirken können. Daneben kann ein externes Oxidations- oder Reduktionsmittel auch kovalent mit dem Nukleinsäure-Oligomer verbunden sein, wobei das Oxidations- bzw. Reduktionsmittel an einer Stelle des Nukleinsäure-Oligomers kovalent angebunden ist, die mindestens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- oder Purin- Basen von der kovalenten Anbindungstelle der redoxaktiven Einheit entfernt ist, bevorzugt an dem der Modifikation mit katalytisch redoxaktiver Einheit entgegengesetzten Ende des Oligonukleotids in der Nähe der leitfähigen Oberfläche. Insbesondere kann auch die leitfähige Oberfläche (Elektrode) als externes Oxidations- bzw. Reduktionsmittel wirken. Die Fähigkeit als Elektron-Donor oder -Akzeptor zu wirken ist relativ, d. h. ein Molekül, das unmittelbar oder nach Einwirkung bestimmter äußerer Umstände gegenüber einem anderen Molekül als Elektron-Donor wirkt, kann gegenüber diesem Molekül unter abweichenden experimentellen Bedingungen oder gegenüber einem dritten Molekül unter gleichen oder abweichenden experimentellen Bedingungen auch als Elektron-Akzeptor wirken.Electron donor In the context of the present invention, the term electron donor denotes a component of the catalytically redox-active unit. An electron donor is a molecule that can transfer an electron to an electron acceptor immediately or after exposure to certain external circumstances. Such an external circumstance is e.g. B. the oxidation or reduction of the electron donor or - acceptor of the catalytically redox-active unit by a external oxidizing or reducing agent, so z. B. the transfer of an electron to the electron donor by a reducing agent or the release of an electron by the electron acceptor to an oxidizing agent. These oxidizing or reducing agents can be external redox-active substances, ie they are not covalently linked to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but are associated with these, e.g. B. via the solution added to the modified conductive surface, in contact, in particular the substrates specific for the catalytically redox-active unit can act as external oxidizing or reducing agents. In addition, an external oxidizing or reducing agent can also be covalently linked to the nucleic acid oligomer, the oxidizing or reducing agent being covalently linked to a point on the nucleic acid oligomer that contains at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or Purine bases is removed from the covalent attachment site of the redox-active unit, preferably at the end of the oligonucleotide opposite the modification with the catalytically redox-active unit in the vicinity of the conductive surface. In particular, the conductive surface (electrode) can also act as an external oxidizing or reducing agent. The ability to act as an electron donor or acceptor is relative, ie a molecule which acts as an electron donor immediately or after the action of certain external circumstances can act against this molecule under different experimental conditions or against a third molecule same or different experimental conditions also act as an electron acceptor.
Elekron-Akzeptor Der Begriff Elektron-Akzeptor bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Bestandteil einer katalytisch redoxaktiven Einheit. Bei einem Elektron-Akzeptor handelt es sich um ein Molekül, das unmittelbar oder nach Einwirkung bestimmter äußerer Umstände ein Elektron von einem Elektron-Donor aufnehmen kann. Ein solcher äußerer Umstand ist z. B. die Oxidation oder Reduktion des Elektron- Donors oder -Akzeptors der katalytisch redoxaktiven Einheit durch ein externes Oxidations- oder Reduktionsmittel sein, also z. B. die Übertragung eines Elektrons auf den Elektron- Donor durch ein Reduktionsmittel bzw. die Abgabe eines Elektrons durch den Elektron-Akzeptor an ein Oxidationsmittel sein. Diese Oxidations- bzw. Reduktionsmittel können externe redoxaktive Substanzen sein, d. h. sie sind nicht kovalent mit der katalytisch redoxaktiven Einheit, dem Nukleinsäure- Oligomer oder der leitfähigen Oberfläche verbunden, stehen aber mit diesen, z. B. über die der modifizierten leitfähigen Oberfläche zugefügte Lösung, in Kontakt, wobei insbesondere die für die katalytisch redoxaktive Einheit spezifischen Substrate als externe Oxidations- oder Reduktionsmittel wirken können. Daneben kann ein externes Oxidations- oder Reduktionsmittel auch kovalent mit dem Nukleinsäure-Oligomer verbunden sein, wobei das Oxidations- bzw. Reduktionsmittel an einer Stelle des Nukleinsäure-Oligomers kovalent angebunden ist, die mindestens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- oder Purin- Basen von der kovalenten Anbindungstelle der katalytisch redoxaktiven Einheit entfernt ist, bevorzugt an dem der Modifikation mit redoxaktiver Einheit entgegengesetzten Ende des Oligonukleotids in der Nähe der leitfähigen Oberfläche. Insbesondere kann auch die leitfähige Oberfläche (Elektrode) als externes Oxidations- bzw. Reduktionsmittel wirken. Die Fähigkeit als Elektron-Akzeptor oder -Donor zu wirken ist relativ, d. h. ein Molekül, das unmittelbar oder nach Einwirkung bestimmter äußerer Umstände gegenüber einem anderen Molekül als Elektron-Akzeptor wirkt, kann gegenüber diesem Molekül unter abweichenden experimentellen Bedingungen oder gegenüber einem dritten Molekül unter gleichen oder abweichenden experimentellen Bedingungen auch als Elektron-Donor wirken.Electron acceptor In the context of the present invention, the term electron acceptor denotes a component of a catalytically redox-active unit. An electron acceptor is a molecule that can accept an electron from an electron donor immediately or after exposure to certain external circumstances. Such an outside Circumstance is z. B. the oxidation or reduction of the electron donor or acceptor of the catalytically redox-active unit by an external oxidizing or reducing agent, so z. B. the transfer of an electron to the electron donor by a reducing agent or the release of an electron by the electron acceptor to an oxidizing agent. These oxidizing or reducing agents can be external redox-active substances, ie they are not covalently linked to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but are associated with these, e.g. B. via the solution added to the modified conductive surface, in contact, in particular the substrates specific for the catalytically redox-active unit can act as external oxidizing or reducing agents. In addition, an external oxidizing or reducing agent can also be covalently linked to the nucleic acid oligomer, the oxidizing or reducing agent being covalently linked to a point on the nucleic acid oligomer that contains at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or Purine bases is removed from the covalent attachment site of the catalytically redox-active unit, preferably at the end of the oligonucleotide opposite the modification with the redox-active unit in the vicinity of the conductive surface. In particular, the conductive surface (electrode) can also act as an external oxidizing or reducing agent. The ability to act as an electron acceptor or donor is relative, ie a molecule which acts as an electron acceptor immediately or after the action of certain external circumstances can act against this molecule under different experimental conditions or against a third molecule same or different experimental conditions also act as an electron donor.
Oxidationsmittel chemische Verbindung (chemische Substanz), die durch Aufnahme von Elektronen aus einer anderen chemischen Verbindung (chemischen Substanz, Elektron-Donor, Elektron- Akzeptor) diese andere chemische Verbindung (chemischen Substanz, Elektron-Donor, Elektron-Akzeptor) oxidiert. Ein Oxidationsmittel verhält sich analog zu einem Elektron-Akzeptor, wird aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Begriff für einen externen, nicht unmittelbar zur katalytisch redoxaktiven Einheit gehörigen Elektron-Akzeptor verwendet. Nicht unmittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Oxidationsmittel entweder ein für die katalytisch redoxaktive Einheit spezifisches Substrat ist oder eine freie redoxaktive Substanz, die nicht an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden ist, aber mit diesem in Kontakt steht. Daneben kann das Oxidationsmittel kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebunden sein, jedoch an einer Stelle des Nukleinsäure- Oligomers, die mindestens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- oder Purin-Basen von der kovalenten Anbindungstelle der katalytisch redoxaktiven Einheit entfernt ist. Insbesondere kann auch die Elektrode das Oxidationsmittel darstellen.Oxidizing agent chemical compound (chemical substance), which by taking up electrons from another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor) this other chemical compound (chemical Substance, electron donor, electron acceptor) oxidized. An oxidizing agent behaves analogously to an electron acceptor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron acceptor that does not directly belong to the catalytically redox-active unit. In this context, not directly means that the oxidizing agent is either a substrate specific for the catalytically redox-active unit or a free redox-active substance which is not bound to the nucleic acid oligomer but is in contact with it. In addition, the oxidizing agent can be covalently linked to the nucleic acid oligomer, but at a point on the nucleic acid oligomer that is at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases from the covalent linkage point of the catalytically redox-active unit. In particular, the electrode can also be the oxidizing agent.
Reduktionsmittel chemische Verbindung (chemische Substanz), die durch Abgabe von Elektronen an eine andere chemische Verbindung (chemische Substanz, Elektron-Donor, Elektron-Akzeptor) diese andere chemische Verbindung (chemischen Substanz, Elektron- Donor, Elektron-Akzeptor) reduziert. Ein Reduktionsmittel verhält sich analog zu einem Elektron-Donor, wird aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Begriff für einen externen, nicht unmittelbar zur katalytisch redoxaktiven Einheit gehörigen Elektron-Donor verwendet. Nicht unmittelbar bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Reduktionsmittel entweder ein für die katalytisch redoxaktive Einheit spezifisches Substrat ist oder eine freie redoxaktive Substanz, die nicht an das Nukleinsäure- Oligomer gebunden ist, aber mit diesem in Kontakt steht oder dass das Reduktionsmittel kovalent an das Nukleinsäure- Oligomer angebunden ist, jedoch an einer Stelle des Nukleinsäure-Oligomers, die mindestens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- oder Purin-Basen von der kovalenten Anbind ungstelle der redoxaktiven Einheit entfernt ist. Insbesondere kann auch die Elektrode das Reduktionsmittel darstellen. redoxaktiv redoxaktiv bezeichnet die Eigenschaft einer redoxaktiven Einheit unter bestimmten äußeren Umständen an ein geeignetes Oxidationsmittel Elektronen abzugeben oder von einem geeigneten Reduktionsmittel Elektronen aufzunehmen bzw. die Eigenschaft einer redoxaktiven Substanz unter bestimmten äußeren Umständen an einen geeigneten Elektron-Akzeptor Elektronen abzugeben oder von einem geeigneten Elektron-Donor Elektronen aufzunehmen.Reducing agent chemical compound (chemical substance) which, by donating electrons to another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor), reduces this other chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor). A reducing agent behaves analogously to an electron donor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron donor that does not directly belong to the catalytically redox-active unit. In this context, not directly means that the reducing agent is either a substrate specific for the catalytically redox-active unit or a free redox-active substance which is not bound to the nucleic acid oligomer but is in contact therewith or that the reducing agent is covalently to the nucleic acid - The oligomer is attached, but at a point on the nucleic acid oligomer which is at least two covalently linked nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases from the covalent linkage site of the redox-active unit. In particular, the electrode can also represent the reducing agent. redox active redox active denotes the property of a redox active unit to give electrons to a suitable oxidizing agent under certain external circumstances or to take up electrons from a suitable reducing agent or the property of a redox active substance to give electrons to a suitable electron acceptor under certain external circumstances or from a suitable electron To accept donor electrons.
Analyt entspricht einem SubstratAnalyte corresponds to a substrate
Substrat freies, nicht kovalent mit der katalytisch redoxaktiven Einheit, dem Nukleinsäure-Oligomer oder der leitfähigen Oberfläche Verbundes, aber mit diesen, z. B. über die der modifizierten leitfähigen Oberfläche zugefügte Lösung, in Kontakt stehendes Oxidations- oder Reduktionsmittel, wobei das Substrat z. B. ein geladenes oder ungeladenes Molekül, ein beliebiges Salz, ein Ion oder ein redoxaktives Protein oder Enzym (Oxidoreduktase) sein kann. Das Substrat ist dadurch gekennzeichnet, dass es von der katalytisch redoxaktiven Einheit durch die Ausbildung spezifischer Wechselwirkungen zwischen Substrat und katalytisch redoxaktiver Einheit erkannt wird und den Donor (bzw. den Akzeptor) der katalytisch redoxaktiven Einheit reduzieren (bzw. oxidieren) kann, wobei die katalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit diese Redoxreaktion des Substrats zum Produkt beschleunigt (katalysiert). katalytische Aktivität die katalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit wirkt sich beschleunigend auf die spezifische Reaktion zwischen der Einheit und dem zugehörigen Substrat aus und ermöglicht so einen Reaktionsablauf, der ohne die katalytische Aktivität der Einheit nicht bzw. nur in nicht wahrnehmbaren Umfang stattfindet. Diese katalytische Aktivität der redoxaktiven Einheit wird durch Stabilisierung des jeweiligen Übergangszustands, i. e. der energiereichsten Spezies, im Reaktionsablauf zwischen katalytisch redoxaktiver Einheit und zugehörigem Substrat erreicht. elektrokatalytische die elektrokatalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Aktivität Einheit steht in engem Bezug zur katalytischen Aktivität der Einheit. Durch die Anwesenheit der katalytisch redoxaktiven Einheit und deren Einbindung in den Reaktionsablauf der Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt (Ablauf der Gesamtreaktion der elektrochemische Redoxreaktion zwischen einer Elektrode und dem Substrat, i.e. Abgabe von Elektronen aus der Elektrode an das Substrat bzw. Abgabe von Elektronen vom Substrat an die Elektrode, über die Zwischenstufen Redoxreaktion zwischen Substrat und katalytisch redoxaktiver Einheit und Redoxreaktion zwischen redoxaktiver Einheit und Elektrode) wird die elektochemische Umwandlung des Substrats an der Elektrode beschleunigt. Die elektrokatalytische Aktivität einer an einer Elektrode immobilisierten katalytisch redoxaktiven Einheit reduziert die Aktivierungsenergie der Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt (Energie des energiereichsten Zustandes für den Reaktionsablauf der Umwandlung des Substrat in das Produkt an der Elektrode) und führt dadurch zu einer Verschiebung des für die Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt notwendigen Elektrodenpotentials in Richtung des Gleichgewichtspotentials für diese Elektroden reaktion. Die Erniedrigung des Aktivierungspotentials führt zu einem Abbau der für eine Elektrodenreaktion notwendige Überspannung und damit zu einer Zunahme des Elektronenfusses zwischen Elektrode und Substrat bei einem bestimmten für die Elektrodenreaktion geeigneten Elektrodenpotential (diese Zunahme wird im allgemeinen als katalytischer Strom bezeichnet). Wesentliche Folge der elektrokatalytischen Aktivität ist also, dass die elektrochemische Umwandlung des Substrats in das Produkt in Gegenwart und unter Beteiligung der katalytisch redoxaktiven Einheit bei einem Elektrodenpotential durchgeführt werden kann, bei dem in Abwesenheit der katalytisch redoxaktiven Einheit kein oder nur sehr geringer Strom fließt.Substrate free, not covalently with the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface composite, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, contacting oxidizing or reducing agent, the substrate z. B. can be a charged or uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase). The substrate is characterized in that it is recognized by the catalytically redox-active unit through the formation of specific interactions between the substrate and the catalytically redox-active unit and can reduce (or oxidize) the donor (or the acceptor) of the catalytically redox-active unit, the catalytic Activity of the catalytically redox-active unit accelerates (catalyzes) this redox reaction of the substrate to the product. Catalytic activity The catalytic activity of the catalytically redox-active unit has an accelerating effect on the specific reaction between the unit and the associated substrate and thus enables a reaction sequence which does not take place or only to an imperceptible extent without the catalytic activity of the unit. This catalytic activity of the redox-active unit is achieved by stabilizing the respective transition state, ie the most energetic species, in the course of the reaction between the catalytically redox-active unit and the associated substrate. electrocatalytic the electrocatalytic activity of the catalytic redox active activity is closely related to the catalytic activity of the Unit. Due to the presence of the catalytically redox-active unit and its integration into the reaction sequence of the electrode reaction of the substrate to the product (sequence of the overall reaction of the electrochemical redox reaction between an electrode and the substrate, ie the release of electrons from the electrode to the substrate or the release of electrons from the substrate to the electrode, via the intermediate stages of redox reaction between substrate and catalytically redox-active unit and redox reaction between redox-active unit and electrode), the electro-chemical conversion of the substrate at the electrode is accelerated. The electrocatalytic activity of a catalytically redox-active unit immobilized on an electrode reduces the activation energy of the electrode reaction of the substrate to the product (energy of the most energetic state for the reaction sequence of the conversion of the substrate into the product at the electrode) and thereby leads to a shift in the for the electrode reaction of the Substrate to the product necessary electrode potential in the direction of the equilibrium potential for these electrodes reaction. The lowering of the activation potential leads to a reduction in the overvoltage necessary for an electrode reaction and thus to an increase in the electron foot between the electrode and the substrate at a certain electrode potential suitable for the electrode reaction (this increase is generally referred to as catalytic current). The main consequence of the electrocatalytic activity is that the electrochemical conversion of the substrate into the product can be carried out in the presence and with the participation of the catalytically redox-active unit at an electrode potential at which no or only very little current flows in the absence of the catalytically redox-active unit.
Spezifität der die katalytisch redoxaktive Einheit wirkt sowohl in Hinblick auf katalytisch das mit der katalytisch redoxaktiven Einheit wechselwirkende redoxaktiven Einheit Substrat als auch in Hinblick auf die mit dem jeweiligen Substrat durchgeführte Reaktion spezifisch. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Redoxreaktionen die bevorzugten Reaktionen zwischen katalytisch redoxaktiver Einheit und Substrat. Initiationsprozess bei entsprechend gewählten äußeren Umständen entfaltet die katalytisch redoxaktive Einheit ihre Redoxaktivität, also ihre Eigenschaft, z. B. an ein geeignetes Oxidationsmittel Elektronen abzugeben bzw. von einem geeigneten Reduktionsmittel Elektronen aufzunehmen, erst nach einem Initiationsprozess. Solch ein Initioationsprozess kann die Zugabe von Substrat mit seiner Eigenschaft Ladung auf die katalytisch redoxaktive Einheit zu übertragen sein: So wird die reduktive Eigenschaft einer katalytisch redoxaktiven Einheit erst durch die Übertragung von Elektron(en) vom Substrat auf den/einen Elektron-Donor "D" ermöglicht, entweder in Gegenwart eines Oxidationsmittel, das D", jedoch nicht D, oxidieren kann oder weil nach sukzessiver Ladungsübertragung innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit das Elektron von D~ auf einen Akzeptor "A" übertragen wird (direkt oder über mehrere Elektrontransferschritte zu intermediären Elektron-Akzeptoren) und ein Oxidationsmittel zugegen ist, das nur von diesem reduzierten Akzeptor "A~" der katalytisch redoxaktiven Einheit Elektronen aufnimmt, jedoch nicht von A. Insbesondere kann dieses Oxidationsmittel auch eine Elektrode sein, z. B. wenn die Elektrode auf ein Potential gesetzt wird, bei dem D" (bzw. A"), jedoch nicht D (bzw. A), oxidiert wird. Andererseits wird die oxidative Eigenschaft einer katalytisch redoxaktiven Einheit erst durch die Übertragung von Elektron(en) von einem Elektron-Donor "D" zum Substrat ermöglicht, entweder in Gegenwart eines Reduktionsmittels, das D+, jedoch nicht D reduzieren kann oder weil nach sukzessiver Ladungsübertragung innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit ein Elektron von einen Akzeptor "A" auf den oxidierten Donor D+ übertragen wird (direkt oder über mehrere Elektrontransferschritte von intermediären Elektron- Donoren) und ein Reduktionsmittel zugegen ist, das nur an diesen oxidierten Akzeptor "A+" der katalytisch redoxaktiven Einheit Elektronen abgibt, jedoch nicht an A. Insbesondere kann dieses Reduktionsmittel auch eine Elektrode sein, z. B. wenn die Elektrode auf ein Potential gesetzt wird, bei dem D+ (bzw. A+), jedoch nicht D (bzw. A), reduziert wird.The specificity of the catalytically redox-active unit acts specifically both with regard to the catalytically active redox-active unit substrate interacting with the catalytically redox-active unit and with regard to the reaction carried out with the respective substrate. In the context of the present invention, redox reactions are the preferred reactions between catalytically redox-active unit and substrate. Initiation process with appropriately chosen external circumstances, the catalytically redox-active unit unfolds its redox activity, ie its property, e.g. B. to give electrons to a suitable oxidizing agent or to take up electrons from a suitable reducing agent, only after an initiation process. Such an initiation process can be the transfer of substrate with its property charge to the catalytically redox-active unit: The reductive property of a catalytically redox-active unit is only through the transfer of electron (s) from the substrate to / an electron donor "D "enables, either in the presence of an oxidizing agent that can oxidize D " but not D, or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, the electron is transferred from D ~ to an acceptor "A" (directly or via several electron transfer steps to intermediate Electron acceptors) and an oxidizing agent is present which only accepts electrons from this reduced acceptor "A ~ " of the catalytically redox-active unit, but not from A. In particular, this oxidizing agent can also be an electrode, for example if the electrode is on an Potential is set at which D " (or A " ), but not D (or A), ox is identified. On the other hand, the oxidative property of a catalytically redox-active unit is only made possible by the transfer of electron (s) from an electron donor "D" to the substrate, either in the presence of a reducing agent that can reduce D + but not D or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, an electron is transferred from an acceptor "A" to the oxidized donor D + (directly or via several electron transfer steps of intermediate electron donors) and a reducing agent is present which is only present on this oxidized acceptor "A + " catalytically redox-active unit emits electrons, but not to A. In particular, this reducing agent can also be an electrode, for. B. if the electrode is set to a potential at which D + (or A + ), but not D (or A), is reduced.
Redoxaktives besteht in der Regel aus sogenanntem Apoprotein, dem (den)
Figure imgf000017_0001
(Formel 3)
Redox active usually consists of so-called apoprotein, which (the)
Figure imgf000017_0001
(Formula 3)
Häm Fe-Protoporphyrin IX, (Formel 4 mit R2 = R5 = R8 = R10 = H; R4 = Rg = Rg =2 = CH3| R-i = R3 = CH -CH -CO ; R7 = Rg = CH=CH2 bzw. ein Derivat von Fe-Protoporphyrin (Formel 4)Heme Fe protoporphyrin IX, (Formula 4 with R 2 = R 5 = R 8 = R 10 = H; R 4 = Rg = Rg =2 = CH 3 | Ri = R 3 = CH -CH -CO; R 7 = Rg = CH = CH 2 or a derivative of Fe protoporphyrin (formula 4)
N6-(2-Aminoethyl)- modifiziertes Flavin-Adenin-Dinukleotid, vgl. Formel 5 FADN 6 - (2-aminoethyl) - modified flavin adenine dinucleotide, cf. Formula 5 FAD
N6-(2-Aminoethyl)- modifiziertes Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid, vgl. Formel 6 NAD+ N 6 - (2-aminoethyl) - modified nicotinamide adenine dinucleotide, cf. Formula 6 NAD +
EDTA Ethylendiamin-Tetraacetat (Natriumsalz) sulfo-NHS N-HydroxysulfosuccinimidEDTA ethylenediamine tetraacetate (sodium salt) sulfo-NHS N-hydroxysulfosuccinimide
EDC (3-Dimethylaminopropyl)-carbodiimidEDC (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide
HEPES N-[2-Hydroxyethyl]piperazin-N'-[2-ethansulfonsäure]HEPES N- [2-hydroxyethyl] piperazine-N '- [2-ethanesulfonic acid]
Tris Tris-(hydroxymethyl)-aminomethanTris tris (hydroxymethyl) aminomethane
Alkyl Der Begriff "Alkyl" bezeichnet eine gesättigte Kohlenwasserstoffgruppe, die geradkettig oder verzweigt ist (z.B. Ethyl, 2,5-Dimethylhexyl oder Isopropyl etc.). Wenn "Alkyl" benutzt wird, um auf einen Linker oder Spacer zu verweisen, bezeichnet der Begriff eine Gruppe mit zwei verfügbaren Valenzen für die kovalente Verknüpfung (z. B. -CH2CH2-, -CH2C(CH3)2CH2CH2C(CH3)2CH2- oder -CH2CH2CH2- etc.). Bevorzugte Alkylgruppen als Substituenten oder Seitenketten R sind solche der Kettenlänge 1 - 30 (längste durchgehende Kette von kovalent aneinander gebundenen Atomen). Bevorzugte Alkylgruppen als Linker oder Spacer sind solche der Kettenlänge 1 - 20, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, wobei die Kettenlänge hier die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den durch den Linker oder Spacer verbundenen Strukturen, also zwischen den zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül, darstellt.Alkyl The term "alkyl" denotes a saturated hydrocarbon group that is straight-chain or branched (eg ethyl, 2,5-dimethylhexyl or isopropyl etc.). When "alkyl" is used to refer to a linker or spacer, the term refers to a group with two available valences for covalent linkage (e.g. -CH 2 CH 2 -, -CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 CH 2 C (CH 3 ) 2 CH 2 - or -CH 2 CH 2 CH 2 - etc.). Preferred alkyl groups as substituents or side chains R are those of chain length 1-30 (longest continuous chain of atoms covalently bonded to one another). Preferred alkyl groups as linkers or spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length here being the shortest continuous connection between the structures connected by the linker or spacer, that is to say between the two molecules or between a surface atom, Surface molecule or a surface molecule group and another molecule.
Alkenyl Alkylgruppen, bei denen eine oder mehrere der C-C Einfachbindungen durch C=C Doppelbindungen ersetzt sind.Alkenyl alkyl groups in which one or more of the C-C single bonds are replaced by C = C double bonds.
Alkinyl Alkyl- oder Alkenylgruppen, bei denen eine oder mehrere der C-C Einfach- oder C=C Doppelbindungen durch C≡C Dreifachbindungen ersetzt sind.Alkynyl alkyl or alkenyl groups in which one or more of the CC single or C = C double bonds by C≡C Triple bonds are replaced.
Hetero-Alkyl Alkylgruppen, bei denen eine oder mehrere der C-H Bindungen oder C-C Einfachbindungen durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.Hetero-alkyl alkyl groups in which one or more of the C-H bonds or C-C single bonds are replaced by C-N, C = N, C-P, C = P, C-O, C = O, C-S or C = S bonds.
Hetero-Alkenyl Alkenylgruppen, bei denen eine oder mehrere C-H Bindungen, C-C Einfach- oder C=C Doppelbindungen durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.Hetero-alkenyl alkenyl groups in which one or more C-H bonds, C-C single or C = C double bonds are replaced by C-N, C = N, C-P, C = P, C-O, C = O, C-S or C = S bonds.
Hetero-Alkinyl Alkinylgruppen, bei denen eine oder mehrere der C-H Bindungen, C-C Einfach-, C=C Doppel- oder C≡C Dreifachbindung durch C-N, C=N, C-P, C=P, C-O, C=O, C-S oder C=S Bindungen ersetzt sind.Hetero-alkynyl alkynyl groups in which one or more of the CH bonds, CC single, C = C double or C≡C triple bond by CN, C = N, CP, C = P, CO, C = O, CS or C = S bonds are replaced.
Linker molekulare Verbindung zwischen zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül. In der Regel sind Linker als Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Hetero- Alkyl-, Hetero-Alkenyl- oder Heteroalkinylkette käuflich zu erwerben, wobei die Kette an zwei Stellen mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppen derivatisiert ist. Diese Gruppen bilden in einfachen/bekannten chemischen Reaktionen mit den entsprechenden Reaktionspartner eine kovalente chemische Bindung aus. Die reaktiven Gruppen können auch photoaktivierbar sein, d. h. die reaktiven Gruppen werden erst durch Licht bestimmter oder beliebiger Wellenlänge aktiviert. Bevorzugte Linker sind solche der Kettenlänge 1 - 20, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, wobei die Kettenlänge hier die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen, also zwischen den zwei Molekülen bzw. zwischen einem Oberflächenatom, Oberflächenmolekül oder einer Oberflächenmolekülgruppe und einem anderen Molekül, darstellt.Left molecular connection between two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule. As a rule, linkers are commercially available as alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl chains, the chain being derivatized at two points with (identical or different) reactive groups. These groups form a covalent chemical bond in simple / known chemical reactions with the corresponding reaction partners. The reactive groups can also be photoactivatable, i. H. the reactive groups are only activated by light of certain or any wavelength. Preferred linkers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length here being the shortest continuous connection between the structures to be connected, i.e. between the two molecules or between a surface atom, surface molecule or a surface molecule group and another molecule , represents.
Spacer Linker, der über die reaktiven Gruppen an eine oder beide der zu verbindenden Strukturen (siehe Linker) kovalent angebunden ist. Bevorzugte Spacer sind solche der Kettenlänge 1 - 20, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, wobei die Kettenlänge die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen den zu verbindenden Strukturen darstellt.Spacer linker which is covalently bonded via the reactive groups to one or both of the structures to be connected (see linker). Preferred spacers are those of chain length 1-20, in particular chain length 1-14, the chain length being the shortest continuous connection between the structures to be connected.
(n x HS-Spacer)- Nukleinsäure-Oligomer, an das n Thiolfunktionen über jeweils oligo einen Spacer angebunden sind, wobei die Spacer jeweils eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Thiolfunktion und Nukleinsäure- Oligomer) aufweisen können, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14. Diese Spacer können wiederum an verschiedene natürlich am Nukleinsäure-Oligomer vorhandene oder an diesem durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein und "n" ist eine beliebige ganze Zahl, insbesondere eine Zahl zwischen 1 und 20.(nx HS spacer) - Nucleic acid oligomer to which n thiol functions are linked via a spacer via oligo, the spacers each having a different chain length (shortest continuous connection between thiol function and nucleic acid oligomer), in particular in each case any chain length between 1 and 14. These spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to it by modification and “n” is any integer, in particular a number between 1 and 20.
(n x R-S-S-Spacer)- Nukleinsäure-Oligomer, an das n Disulfidfunktionen über oligo jeweils einen Spacer angebunden sind, wobei ein beliebiger Rest R die Disulfidfunktion absättigt. Der Spacer zur Anbindung der Disulfidfunktion an das Nukleinsäure-Oligomer kann jeweils eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Disulfidfunktion und Nukleinsäure-Oligomer) aufweisen, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14. Diese Spacer können wiederum kann an verschiedene natürlich am Nukleinsäure-Oligomer vorhandene oder an diesem durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein. Der Platzhalter n ist eine beliebige ganze Zahl, insbesondere eine Zahl zwischen 1 und 20.(n x R-S-S spacer) - Nucleic acid oligomer to which n disulfide functions are each connected via a spacer via oligo, any residue R saturating the disulfide function. The spacer for connecting the disulfide function to the nucleic acid oligomer can each have a different chain length (shortest continuous connection between the disulfide function and nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14. These spacers can in turn be connected to various naturally on the nucleic acid Oligomeric reactive groups attached or attached to this by modification. The placeholder n is any integer, in particular a number between 1 and 20.
Oligo-Spacer-S-S- zwei gleiche oder verschiedene Nukleinsäure-Oligomere, die Spacer-oligo über eine Disulfid-Brücke miteinander verbunden sind, wobei die Disulfidbrücke über zwei beliebige Spacer an die Nukleinsäure-Oligomere angebunden ist und die beiden Spacer eine unterschiedliche Kettenlänge (kürzeste durchgehende Verbindung zwischen Disulfidbrücke und dem jeweiligen Nukleinsäure-Oligomer) aufweisen können, insbesondere jeweils eine beliebige Kettenlänge zwischen 1 und 14 und diese Spacer wiederum an verschiedene natürlich am Nukleinsäure-Oligomer vorhandene oder an diese durch Modifikation angebrachte reaktive Gruppen gebunden sein können.Oligo-Spacer-SS- two identical or different nucleic acid oligomers that are connected to each other via a disulfide bridge, the disulfide bridge being connected to the nucleic acid oligomers via any two spacers and the two spacers having a different chain length (shortest can have a continuous connection between the disulfide bridge and the respective nucleic acid oligomer), in particular any chain length between 1 and 14, and these spacers can in turn be bound to various reactive groups that are naturally present on the nucleic acid oligomer or are attached to them by modification.
Mica Muskovit-Plättchen, Trägermaterial zum Aufbringen dünner Schichten.Mica muscovite platelets, carrier material for thin application Layers.
Au-S-(CH^2-ss-oligo- Gold-Film auf Mica mit kovalent aufgebrachter Monolayer ausAu-S- (CH ^ 2 -ss-oligo- gold film on mica with covalently applied monolayer
Spacer-PQQ- derivatisiertem 12Bp Einzelstrang DNA-Oligonukleotid (Sequenz:Spacer-PQQ-derivatized 12 bp single strand DNA oligonucleotide (sequence:
FAD(GOx) TAGTCGGAAGCA). Hierbei ist die endständige Phosphatgruppe des Oligonukleotids am 3' Ende mit (HO- (CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert, wobei die S-S Bindung homolytisch gespalten wird und je eine Au-S-R Bindung bewirkt. Die endständige Base Thymin am 5'- Ende des Oligonukleotids ist am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH- CH2-CH2-NH2 modifiziert, wobei dieser Rest wiederum über seine freie Aminogruppe durch Amidbildung mit der Carbonsäuregruppe des PQQ verbunden ist. An eine weitere noch Carbonsäuregruppe dieses PQQ ist FAD über Amidbildung gebunden, das vorher so modifiziert wurde, das es über eine reaktive Aminogruppe verfügt, z. B. durch Bildung von N6-(2- Aminoethyl)-FAD (Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537. B1). Anschließend wird das FAD mit dem Apoprotein der GOx rekonstituiert, so dass ein an der Oberfäche kovalent angebundenes Nukleinsäure-Oligomer entsteht, das zusätzlich - über PQQ als kovalent angebundenem Brückenmolekül - kovalent mit der kompletten GOx-Einheit modifiziert ist.FAD (GOx) TAGTCGGAAGCA). The terminal phosphate group of the oligonucleotide is esterified at the 3 'end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH, the SS bond being cleaved homolytically and each causes an Au-SR bond. The terminal base thymine at the 5 'end of the oligonucleotide is modified at the C-5 carbon with -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 , this residue in turn via its free amino group by amide formation with the carboxylic acid group of the PQQ is connected. To another carboxylic acid group of this PQQ, FAD is bound via amide formation, which was previously modified so that it has a reactive amino group, e.g. B. by formation of N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537. B1). The FAD is then reconstituted with the apoprotein of the GOx, so that a nucleic acid oligomer covalently attached to the surface is formed, which is additionally - via PQQ as a covalently attached bridge molecule - covalently modified with the complete GOx unit.
Au-S-ζCHd-ds-oligo- Au-S-fCH^ss-oligo-Spacer-PQQ-FADfGOx) hybridisiert mit Spacer-PQQ- dem zu ss-oligo (Sequenz: TAGTCGGAAGCA) FAD(GOx) komplementären Oligonukleotid.Au-S-ζCHd -ds-oligo-Au-S-fCH ^ ss-oligo-spacer-PQQ-FADfGOx) hybridizes with spacer-PQQ-dem to ss-oligo (sequence: TAGTCGGAAGCA) FAD (GOx) complementary oligonucleotide.
Au-S-fCHJrSS-oligo- Gold-Film auf Mica mit kovalent aufgebrachter Monolayer ausAu-S-fCHJrSS-oligo-gold film on mica with covalently applied monolayer
Spacer-PQQ-NAD+- derivatisiertem 12Bp Einzelstrang DNA-Oligonukleotid (Sequenz:Spacer-PQQ-NAD + - derivatized 12 bp single strand DNA oligonucleotide (sequence:
LDH TAGTCGGAAGCA). Hierbei ist die endständige Phosphatgruppe des Oligonukleotids am 3' Ende mit (HO- (CH2)2-S)2 zum P-O-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert, wobei die S-S Bindung homolytisch gespalten wird und je eine Au-S-R Bindung bewirkt. Die endständige Base Thymin am 5'- Ende des Oligonukleotids ist am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH- CH2-CH2-NH2 modifiziert, wobei dieser Rest wiederum über seine freie Aminogruppe durch Amidbildung mit der Carbonsäuregruppe des PQQ verbunden ist. An eine weitere noch Carbonsäuregruppe dieses PQQ ist NAD+ über Amidbildung gebunden, das vorher so modifiziert wurde, das es über eine reaktive Aminogruppe verfügt, z. B. durch Bildung von N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ (Bückmann et al, 1991 , European Patent 0.247.537.B1). An daiese terminale NAD+ wird die komplette LDH assoziiert.LDH TAGTCGGAAGCA). The terminal phosphate group of the oligonucleotide is esterified at the 3 'end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to PO- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH, the SS bond being cleaved homolytically and each causes an Au-SR bond. The terminal base thymine at the 5 'end of the oligonucleotide is modified at the C-5 carbon with -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 , this residue in turn via its free amino group by amide formation with the carboxylic acid group of the PQQ is connected. To another carboxylic acid group of this PQQ, NAD + is bound via amide formation, which was previously modified so that it has a reactive amino group, e.g. B. by forming N 6 - (2-Aminoethyl) -NAD + (Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537.B1). The complete LDH is associated with this terminal NAD + .
Au-S-(CH^2-ds-oligo- Au-S-(CH^2-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-ADH hybridisiert mitAu-S- (CH ^ 2 -ds-oligo-Au-S- (CH ^ 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-NAD + -ADH hybridizes with
Spacer-PQQ-NAD+- dem zu ss-oligo (Sequenz: TAGTCGGAAGCA)Spacer-PQQ-NAD + - the to ss-oligo (sequence: TAGTCGGAAGCA)
LDH komplementären Oligonukleotid.LDH complementary oligonucleotide.
E Elektrodenpotential, das an der Arbeitselektrode anliegt.E Electrode potential that is applied to the working electrode.
Gleichgewichtspotential einer ElektrodenreaktionEquilibrium potential of an electrode reaction
E° "zero current" Potential einer Elektrodenreaktion, Potential das für eine bestimmte Elektrodenreaktion keinen Gesamtstrom (Summe aus oxidativem und reduktivem Strom) liefert. η Überpotential einer ElektrodenreaktionE ° "zero current" potential of an electrode reaction, potential that does not supply a total current (sum of oxidative and reductive current) for a specific electrode reaction. η Overpotential of an electrode reaction
Elektrodenreaktion Redoxreaktion zwischen einer redoxaktiven Substanz und einer Elektrode (Aufnahme von Elektronen aus der Elektrode durch die redoxaktive Substanz bzw. Abgabe von Elektronen aus der redoxaktiven Substanz an die Elektrode)Electrode reaction Redox reaction between a redox-active substance and an electrode (absorption of electrons from the electrode by the redox-active substance or release of electrons from the redox-active substance to the electrode)
Eθx Potential beim Strom-Maximum der Oxidation einer reversiblen Elektrooxidation oder -reduktion.Eθx potential at the current maximum of the oxidation of a reversible electro-oxidation or reduction.
^Red Potential beim Strom-Maximum der Reduktion einer reversiblen Elektrooxidation oder -reduktion.^ Red potential at the current maximum of the reduction of a reversible electro-oxidation or reduction.
/ Stromdichte (Strom pro cm2 Elektrodenoberfläche)/ Current density (current per cm 2 electrode surface)
Cyclovoltametrie Aufzeichnung einer Strom/Spannungskurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode zeitabhängig linear verändert, ausgehend von einem Potential, bei dem keine Elektrooxidation oder -reduktion stattfindet bis zu einem Potential, bei dem eine gelöste oder an die Elektrode adsorbierte Spezies oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/ Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom und nach Erreichen eines Maximums einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.Cyclic voltammetry Recording a current / voltage curve. The potential of a stationary working electrode is changed linearly as a function of time, starting from a potential at which no electrooxidation or reduction takes place up to a potential at which a dissolved or adsorbed species is oxidized or reduced (i.e. current flows). After passing through the oxidation or reduction process, which generates an initially increasing current in the current / voltage curve and a gradually decreasing current after reaching a maximum, the direction of the potential feed is reversed. The behavior of the products of electrooxidation or reduction is then recorded in the return.
Amperometrie Aufzeichnung einer Strom/Zeitkurve. Hierbei wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode z. B. durch einen Potentialsprung auf ein Potential gesetzt, bei dem die Elektrooxidation oder -reduktion einer gelösten oder adsorbierten Spezies stattfindet und der fließende Strom wird in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeichnet.Amperometry Recording a current / time curve. Here is the potential a stationary working electrode z. B. is set by a potential jump to a potential at which the electro-oxidation or reduction of a dissolved or adsorbed species takes place and the flowing current is recorded as a function of time.
Potentiometrie Aufzeichnung eines Elektrodenspannungsverlaufs in Abhängigkeit vom z. B. dem Substratverbrauch. Hierbei wird z. B. das Potential einer stationären Arbeitselektrode auf das "zero current" Potential £°des Substrats eingestellt. Bei Verbrauch von Substrat durch die katalytisch redoxaktive Einheit (im Falle der Hybridisierung) ändert sich das "zero current" Potential E° in Richtung des Gleichgewichtspotentials .= * . Somit erhält man durch die Aufzeichnung des Potentials in Abhängigkeit von der Zeit (~ Substratverbrauch) Aufschluß über den Hybridisierungszustand.Potentiometry Recording an electrode voltage curve depending on the z. B. the substrate consumption. Here, for. B. the potential of a stationary working electrode to the "zero current" potential £ ° of the substrate. When the substrate is used up by the catalytically redox-active unit (in the case of hybridization), the "zero current" potential E ° changes in the direction of the equilibrium potential. = *. Recording the potential as a function of time (~ substrate consumption) thus provides information about the hybridization state.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nukleinsäure-Oligomer, das durch chemische Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit modifiziert ist. Die katalytisch redoxaktive Einheit kann nach Abgabe eines Elektrons an ein externes Oxidationsmittels (Substrat) von einem externen Reduktionsmittel, z. B. einer Elektrode, reduziert oder nach Aufnahme eines Elektrons von einem externen Reduktionsmittel (Substrat) durch ein externes Oxidationsmittel, z. B. einer Elektrode, oxidiert werden.The present invention relates to a nucleic acid oligomer which is modified by chemical bonding of a catalytically redox-active unit. The catalytically redox-active unit can, after donating an electron to an external oxidizing agent (substrate) from an external reducing agent, e.g. B. an electrode, reduced or after receiving an electron from an external reducing agent (substrate) by an external oxidizing agent, for. B. an electrode, are oxidized.
Als Nukleinsäure-Oligomer wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Nukleotiden oder aus wenigstens zwei kovalent verbundenen Pyrimidin- (z. B. Cytosin, Thymin oder Uracil) oder Purin-Basen (z. B. Adenin oder Guanin), bevorzugt ein DNA-, RNA- oder PNA- Fragment, verwendet. In der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff Nukleinsäure 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, dass sie natürlich vorkommende cDNA oder RNA sequenzspezifisch binden kann. Alternativ zu dem Begriff "Nukleinsäure-Oligomer" werden die Begriffe "(Sonden-) Oligonukleotid", "Nukleinsäure" oder "Oligomer" verwendet. Der Begriff "Elektron-Akzeptor" bzw. "Elektron-Akzeptor-Molekül" und der Begriff "Elektron- Donor" bzw. "Elektron-Donor-Molekül" bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen Bestandteil (ein redoxaktives Zentrum bzw. einen Kofaktor bzw. eine prosthetische Gruppe) einer katalytisch redoxaktiven Einheit.In the context of the present invention, a nucleic acid oligomer is a compound of at least two covalently linked nucleotides or of at least two covalently linked pyrimidine (e.g. cytosine, thymine or uracil) or purine bases (e.g. adenine or guanine) , preferably a DNA, RNA or PNA fragment, is used. In the present invention, the term nucleic acid refers to any "backbone" of the covalently linked pyrimidine or purine bases, such as. B. 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. B. a thio-phosphate, a dithio-phosphate or a phosphoramide backbone. An essential feature of a nucleic acid in the sense of the present invention is that it can bind naturally occurring cDNA or RNA in a sequence-specific manner. As an alternative to the term “nucleic acid oligomer”, the terms “(probe) oligonucleotide”, “nucleic acid” or “oligomer” are used. The term "electron acceptor" or "electron acceptor molecule" and the term "electron donor" or "electron donor molecule" in the context of the present invention denotes a component (a redox-active center or a cofactor or a prosthetic group) of a catalytically redox-active unit.
Eine im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Oberbegriff "katalytisch redoxaktive Einheit" bezeichnete Einheit besteht in der Regel aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Cofaktoren, prosthetischen Gruppen), die im folgenden als Elektron-Donoren bzw. Elektron-Akzeptoren bezeichnet werden, und einem oder mehreren diese redoxaktiven Zentren bindenden Makromolekülen. Die katalytisch redoxaktive Einheit enthält also in ihrer erfindungsrelevanten Erscheinungsform ein oder mehrere Elektron-Donor-Moleküle und/oder ein oder mehrere Elektron-Akzeptor- Molekülen, wobei dieses (diese) Elektron-Donor-Molekül(e) und/oder dieses (diese) Elektron-Akzeptor-Molekül(e) an ein oder mehrere Makromoleküle gebunden sind bzw. in diese(s) Makromolekül(e) eingebettet sind. Elektron-Donor(en) und/oder Elektron- Akzeptoren) können untereinander durch eine oder mehrere kovalente oder ionische Bindungen, durch Wasserstoff-Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, durch π-π- Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und - Akzeptation miteinander verbunden sein, wobei kovalente Verbindungen direkte oder indirekte (z. B. über einen Spacer, nicht aber über ein Nukleinsäure-Oligomer) Verbindungen sein können. Daneben können die Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) mit dem (den) Makromolekül(en) durch kovalente Anbindung an das (die) Makromolekül(e), durch Einkapseln in passende molekulare Kavitäten (Bindungstaschen) des Makromoleküls (der Makromoleküle), durch ionische Bindungen, Wasserstoff-Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, π-π- Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und - Akzeptation zwischen dem(n) Makromolekül(en) und dem(n) Elektron-Donor- Molekül(en) und/oder dem(n) Elektron-Akzeptor-Molekül(en) verbunden sein. Sind mehrere Makromoleküle Bestandteil der katalytisch redoxaktiven Einheit kann die Bindung der Makromoleküle untereinander ebenfalls kovalent, ionisch, durch Wasserstoff-Brücken-Bindungen, van-der-Waals-Brücken, π-π-Wechselwirkung oder durch Koordination mittels Elektronenpaar-Donation und -Akzeptation erfolgen. Eine katalytisch redoxaktive Einheit kann im Minimalfall auch nur aus einem Makromolekül bestehen, wobei das Makromolekül dann in seiner erfindungsrelevanten Erscheinungsform auch als Elektron-Donor bzw. -Akzeptor wirkt. Sie kann auch nur aus aus einem Elektron-Donor bzw. -Akzeptor bestehen. Daneben kann die katalytisch redoxaktive Einheit auch durch spontane Zusammenlagerung der Bestandteil in Lösung (in situ) gebildet werden. Die angesprochenen Donor- und/oder Akzeptor-Moleküle bilden zusammen mit den Makromolekülen eine katalytisch redoxaktive Einheit, d. h. sie sind direkt oder über weitere Molekülteile aneinander gebunden. Einzige Einschränkung der die Bestandteile der katalytisch redoxaktiven Einheit verbindenden Moleküle oder Molekülteile ist der Ausschluß von Nukleinsäure-Oligomeren. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die katalytisch redoxaktive Einheit als eine komplette Einheit an das Sonden-Oligonukleotid gebunden, wobei natürlich mehrere chemische Bindungen zwischen Oligonukleotid und der redoxaktiven Einheit ausgebildet werden können. Durch den Ausschluß von Nukleinsäure-Oligomeren als die die Bestandteile der katalytisch redoxaktiven Einheit verbindenden Moleküle oder Molekülteile soll verdeutlicht werden, dass nicht einzelne Teile der katalytisch redoxaktiven Einheit an verschiedenen Stellen des Sonden- Oligonukleotids angebunden sind. Das Sonden-Oligonukleotid stellt also explizit nicht die Verbindung zwischen den Elektron-Donor-Molekül(en) und den Makromolekülen und/oder den Elektron-Akzeptor-Molekül(en) und den Makromolekülen der katalytisch redoxaktiven Einheit dar.A unit referred to in the context of the present invention under the generic term “catalytically redox-active unit” generally consists of one or more redox-active centers (cofactors, prosthetic groups), which are referred to below as electron donors or electron acceptors, and one or more macromolecules binding these redox-active centers. The catalytically redox-active unit therefore contains one or more electron-donor molecules and / or one or more electron-acceptor molecules in their appearance-relevant form, whereby this electron-donor molecule (s) and / or this (these) Electron acceptor molecule (s) are bound to one or more macromolecules or are embedded in this (s) macromolecule (s). Electron donors and / or electron acceptors can be linked to one another by one or more covalent or ionic bonds, by hydrogen bonds, by van der Waals bridges, by π-π interaction or by coordination by means of an electron pair - Donation and - Acceptance can be linked to one another, where covalent compounds can be direct or indirect (eg via a spacer but not via a nucleic acid oligomer) compounds. In addition, the electron donor (s) and / or electron acceptor (s) with the macromolecule (s) by covalent attachment to the macromolecule (s), by encapsulation in suitable molecular cavities (binding pockets) of the Macromolecule (of the macromolecules), by ionic bonds, hydrogen bonds, van der Waals bridges, π-π interaction or by coordination by means of electron pair donation and - acceptance between the macromolecule (s) and the (n) electron donor molecule (s) and / or the electron acceptor molecule (s). If several macromolecules are part of the catalytically redox-active unit, the macromolecules can also be bonded to one another covalently, ionically, by hydrogen bonds, van der Waals bridges, π-π interaction or by coordination by means of electron pair donation and acceptance , In a minimal case, a catalytically redox-active unit can also consist of only one macromolecule, the macromolecule then also acting as an electron donor or acceptor in its manifestation relevant to the invention. It can also consist of only one electron donor or acceptor. In addition, the catalytically redox-active unit can also be formed by spontaneously assembling the component in solution (in situ). The addressed donor and / or acceptor molecules, together with the macromolecules, form a catalytically redox-active unit, ie they are bound to one another directly or via further parts of the molecule. The only restriction of the molecules or parts of molecules connecting the components of the catalytically redox-active unit is the exclusion of nucleic acid oligomers. According to the present invention, the catalytically redox-active unit is bound as a complete unit to the probe oligonucleotide, it being possible, of course, to form several chemical bonds between the oligonucleotide and the redox-active unit. The exclusion of nucleic acid oligomers as the molecules or parts of molecules connecting the constituents of the catalytically redox-active unit is intended to clarify that individual parts of the catalytically redox-active unit are not linked to different locations of the probe oligonucleotide. The probe oligonucleotide therefore explicitly does not represent the connection between the electron donor molecule (s) and the macromolecules and / or the electron acceptor molecule (s) and the macromolecules of the catalytically redox-active unit.
Die Redoxaktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit, also deren Eigenschaft unter bestimmten äußeren Umständen an ein geeignetes Oxidationsmittel Elektronen abzugeben (bzw. von einem geeigneten Reduktionsmittel Elektronen aufzunehmen), wird durch einen Initiationsprozeß, z. B. erst nach Reduktion (bzw. nach Oxidation) durch das Substrat, entfaltet. Bei entsprechend gewählten äußeren Umständen entfaltet die katalytisch redoxaktive Einheit ihre Redoxaktivität erst nach dem Initiationsprozess "Zugabe von Substrat mit der Eigenschaft Ladung auf die katalytisch redoxaktive Einheit zu übertragen": So wird die reduktive Eigenschaft einer katalytisch redoxaktiven Einheit erst durch die Übertragung von Elektron(en) vom Substrat auf den/einen Elektron-Donor "D" ermöglicht, entweder in Gegenwart eines externen Oxidationsmittels (z. B. der Elektrode mit entsprechend gewähltem Potential), das D~, jedoch nicht D, oxidieren kann oder weil nach sukzessiver Ladungsübertragung innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit das Elektron von D~ auf einen Akzeptor "A" übertragen wird (direkt oder über mehrere Elektrontransferschritte zu intermediären Elektron-Akzeptoren) und ein Oxidationsmittel zugegen ist, das nur von diesem reduzierten Akzeptor "A~" der katalytisch redoxaktiven Einheit Elektronen aufnimmt", jedoch nicht von A (z. B. in Gegenwart einer Elektrode mit entsprechend gewähltem Potential). Andererseits wird die oxidative Eigenschaft einer katalytisch redoxaktiven Einheit erst durch die Übertragung von Elektron(en) von einem Elektron-Donor "D" zum Substrat ermöglicht, entweder in Gegenwart eines Reduktionsmittels (z. B. der Elektrode mit entsprechend gewähltem Potential), das D+, jedoch nicht D reduzieren kann oder weil nach sukzessiver Ladungsübertragung innerhalb der katalytisch redoxaktiven Einheit ein Elektron von einen Akzeptor "A" auf den oxidierten Donor D+ übertragen wird (direkt oder über mehrere Elektrontransferschritte von intermediären Elektron-Donoren) und ein Reduktionsmittel zugegen ist, das nur an diesen oxidierten Akzeptor "A+" der katalytisch redoxaktiven Einheit Elektronen abgibt, jedoch nicht an A (z. B. in Gegenwart einer Elektrode mit entsprechend gewähltem Potential).The redox activity of the catalytically redox-active unit, that is to say its property, under certain external circumstances, to give off electrons to a suitable oxidizing agent (or to take up electrons from a suitable reducing agent) is initiated by an initiation process, e.g. B. only unfolded after reduction (or after oxidation) by the substrate. If the external circumstances are selected accordingly, the catalytically redox-active unit only develops its redox activity after the initiation process "adding substrate with the property of transferring charge to the catalytically redox-active unit": the reductive property of a catalytically redox-active unit is only achieved by the transfer of electrons ) from the substrate to the electron donor "D", either in the presence of an external oxidizing agent (e.g. the electrode with a correspondingly selected potential), which can oxidize D ~ , but not D, or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit the electron is transferred from D ~ to an acceptor "A" (directly or via several electron transfer steps to intermediate electron acceptors) and an oxidizing agent is present which only electrons from this reduced acceptor "A ~ " of the catalytically redox-active unit records " , but not from A ( e.g. in the presence of an electrode with an appropriately selected potential). On the other hand, the oxidative property of a catalytically redox-active unit is only made possible by the transfer of electron (s) from an electron donor "D" to the substrate, either in the presence of a reducing agent (e.g. the electrode with the correspondingly chosen potential), the D + , but cannot reduce D or because after successive charge transfer within the catalytically redox-active unit, an electron from an acceptor "A" to the oxidized donor D + is transferred (directly or via several electron transfer steps from intermediate electron donors) and a reducing agent is present which only gives off electrons to this oxidized acceptor "A + " of the catalytically redox-active unit, but not to A (e.g. in the presence of an electrode with correspondingly chosen potential).
Wesentliche Merkmale der katalytisch redoxaktiven Einheit sind neben der Zusammensetzung aus Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en) und Makromolekül(en): (i) die Einheit ist in den erfindungsrelevanten Erscheinungsformen (Elektron-Donor(en) und/oder Elektron-Akzeptor(en und Makromolekül(en)) im ursprünglichen bzw. oxidierten oder reduzierten Zustand) stabil und dissoziiert nicht in ihre Bestandteile, (ii) die elektrokatalytische Aktivität der Einheit (siehe unten), (iii) die Einheit enthält keine Nukleinsäure, (iv) die Zusammensetzung der Einheit aus Elektron- Donoren) und/oder Elektron-Akzeptor(en) und Makromolekül(en) kann - unabhängig von der Bindung zwischen den Bestandteilen - vom Fachmann erkannt werden, da die redoxaktiven Zentren (Cofaktoren, prosthetischen Gruppen) und die zugehörige Matrix aus Makromolekül(en) (z. B. das Apoprotein bei Enzymen als Beispiel einer katalytisch redoxaktiven Einheit) prinzipiell auch getrennt voneinander vorkommen können.In addition to the composition of electron donor (s) and / or electron acceptor (s) and macromolecule (s), essential features of the catalytically redox-active unit are: (i) the unit is in the manifestations relevant to the invention (electron donor (s) and / or electron acceptor (s and macromolecule (s)) in the original or oxidized or reduced state) stable and does not dissociate into their components, (ii) the electrocatalytic activity of the unit (see below), (iii) the unit does not contain any Nucleic acid, (iv) the composition of the unit from electron donors) and / or electron acceptor (s) and macromolecule (s) can be recognized by the person skilled in the art - regardless of the bond between the constituents - since the redox-active centers (cofactors, prosthetic groups) and the associated matrix of macromolecule (s) (e.g. apoprotein in enzymes as an example of a catalytically redox-active unit) can in principle also occur separately.
Das für eine bestimmte katalytisch redoxaktive Einheit spezifische Substrat ist ein freies, nicht kovalent mit der katalytisch redoxaktiven Einheit, dem Nukleinsäure-Oligomer oder der leitfähigen Oberfläche Verbundes, aber mit diesen, z. B. über die der modifizierten leitfähigen Oberfläche zugefügte Lösung, in Kontakt stehendes Oxidations- oderThe substrate specific for a particular catalytically redox-active unit is a free compound that is not covalently bonded to the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, contacting oxidation or
Reduktionsmittel, wobei das Substrat z. B. ein geladenes oder ungeladenes Molekül, eine beliebiges Salz, ein Ion oder ein redoxaktives Protein oder Enzym (Oxidoreduktase) sein kann. Das Substrat ist dadurch gekennzeichnet, dass sie von der katalytisch redoxaktiven Einheit durch die Ausbildung spezifischer Wechselwirkungen zwischen Substrat und katalytisch redoxaktiver Einheit erkannt wird und den DonorReducing agent, wherein the substrate z. B. can be a charged or uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase). The substrate is characterized in that it is recognized by the catalytically redox-active unit through the formation of specific interactions between the substrate and the catalytically redox-active unit and the donor
(bzw. den Akzeptor) der katalytisch redoxaktiven Einheit reduzieren (bzw. oxidieren) kann, wobei die katalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit diese Redoxreaktion des Substrats zum Produkt beschleunigt (katalysiert).(or the acceptor) of the catalytically redox-active unit can be reduced (or oxidized), the catalytic activity of the catalytically redox-active unit accelerating (catalyzing) this redox reaction of the substrate to the product.
Die katalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit wirkt sich beschleunigend auf die spezifische Reaktion zwischen der Einheit und dem zugehörigen Substrat aus und ermöglicht so einen Reaktionsablauf, der ohne die katalytische Aktivität der Einheit (z. B. in Form des Substrats und des nicht gebundenen Cofaktors in Lösung) nicht bzw. nur in nicht wahrnehmbaren Umfang stattfindet. Diese katalytische Aktivität der redoxaktiven Einheit wird durch Stabilisierung des jeweiligen Übergangszustands, i. e. der energiereichsten Spezies im Reaktionsablauf zwischen katalytisch redoxaktiver Einheit und zugehörigem Substrat, erreicht. Die elektrokatalytische Aktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit steht in engem Bezug zur katalytischen Aktivität der Einheit. Durch die Anwesenheit der katalytisch redoxaktiven Einheit und deren Einbindung in den Reaktionsablauf der Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt (Ablauf der Gesamtreaktion der elektrochemische Redoxreaktion zwischen einer Elektrode und dem Substrat, i.e. Abgabe von Elektronen aus der Elektrode an das Substrat bzw. Abgabe von Elektronen vom Substrat an die Elektrode, über die Zwischenstufen Redoxreaktion zwischen Substrat und katalytisch redoxaktiver Einheit und Redoxreaktion zwischen redoxaktiver Einheit und Elektrode) wird die elektochemische Umwandlung des Substrats an der Elektrode beschleunigt. Die elektrokatalytische Aktivität einer an einer Elektrode immobilisierten katalytisch redoxaktiven Einheit reduziert die Aktivierungsenergie der Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt (Energie des energiereichsten Zustandes für den Reaktionsablauf der Umwandlung des Substrat in das Produkt an der Elektrode) und führt dadurch zu einer Verschiebung des für die Elektrodenreaktion des Substrats zum Produkt notwendigen Elektrodenpotentials in Richtung des Gleichgewichtspotentials für diese Elektrodenreaktion. Die Erniedrigung des Aktivierungspotentials führt zu einem Abbau der für eine Elektrodenreaktion notwendige Überspannung und damit zu einer Zunahme des Elektronenfusses zwischen Elektrode und Substrat bei einem bestimmten für die Elektrodenreaktion geeigneten Elektrodenpotential (diese Zunahme wird im allgemeinen als katalytischer Strom bezeichnet). WesentlicheThe catalytic activity of the catalytically redox-active unit has an accelerating effect on the specific reaction between the unit and the associated substrate and thus enables a reaction sequence which takes place without the catalytic activity of the unit (e.g. in the form of the substrate and the unbound cofactor in Solution) does not take place or only takes place to an imperceptible extent. This catalytic activity of the redox-active unit is achieved by stabilizing the respective transition state, ie the most energetic species in the course of the reaction between the catalytically redox-active unit and the associated substrate. The electrocatalytic activity of the catalytically redox-active unit is closely related to the catalytic activity of the unit. Due to the presence of the catalytically redox-active unit and its integration into the reaction sequence of the electrode reaction of the substrate to the product (sequence of the overall reaction of the electrochemical redox reaction between an electrode and the substrate, ie the release of electrons from the electrode to the substrate or the release of electrons from the substrate to the electrode, via the intermediate stages of redox reaction between substrate and catalytically redox-active unit and redox reaction between redox-active unit and electrode), the electro-chemical conversion of the substrate at the electrode is accelerated. The electrocatalytic activity of a catalytically redox-active unit immobilized on an electrode reduces the activation energy of the electrode reaction of the substrate to the product (energy of the most energetic state for the reaction sequence of the conversion of the substrate into the product at the electrode) and thereby leads to a shift in the for the electrode reaction of the Substrate to the product necessary electrode potential in the direction of the equilibrium potential for this electrode reaction. The lowering of the activation potential leads to a reduction in the overvoltage necessary for an electrode reaction and thus to an increase in the electron foot between the electrode and the substrate at a certain electrode potential suitable for the electrode reaction (this increase is generally referred to as catalytic current). basics
Folge der elektrokatalytischen Aktivität ist also, dass die elektrochemische Umwandlung des Substrats in das Produkt in Gegenwart und unter Beteiligung der katalytisch redoxaktiven Einheit bei einem Elektrodenpotential durchgeführt werden kann, bei dem in Abwesenheit der katalytisch redoxaktiven Einheit kein oder nur sehr geringer Strom fließt.The consequence of the electrocatalytic activity is that the electrochemical conversion of the substrate into the product can be carried out in the presence and with the participation of the catalytically redox-active unit at an electrode potential at which no or only very little current flows in the absence of the catalytically redox-active unit.
Die katalytisch redoxaktive Einheit wirkt sowohl in Hinblick auf das mit der katalytisch redoxaktiven Einheit wechselwirkende Substrat als auch in Hinblick auf die mit dem jeweiligen Substrat durchgeführte Reaktion spezifisch. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind Redoxreaktionen die bevorzugten Reaktionen zwischen katalytisch redoxaktiver Einheit und Substrat.The catalytically redox-active unit acts specifically both with regard to the substrate interacting with the catalytically redox-active unit and with regard to the reaction carried out with the respective substrate. In the context of the present invention, redox reactions are the preferred reactions between catalytically redox-active unit and substrate.
Mit dem Begriff "Reduktionsmittel" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine chemische Verbindung (chemische Substanz) bezeichnet, die durch Abgabe von Elektronen an eine andere chemische Verbindung (chemische Substanz, Elektron-Donor, Elektron-Akzeptor) diese andere chemische Verbindung (chemische Substanz, Elektron- Donor, Elektron-Akzeptor) reduziert. Das Reduktionsmittel verhält sich analog zu einem Elektron-Donor, wird aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Begriff für einen externen, nicht unmittelbar zur redoxaktiven Einheit gehörigen Elektron-Donor verwendet. "Nicht unmittelbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Reduktionsmittel entweder eine freie redoxaktive Substanz ist, die nicht an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden ist, aber mit diesem in Kontakt steht oder dass das Reduktionsmittel kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebunden ist, jedoch an einer Stelle des Nukleinsäure- Oligomers, die mindestens zwei kovalent verbundene Nukleotide oder wenigstens zwei kovalent verbundene Pyrimidin- oder Purin-Basen von der kovalenten Anbindungstelle der redoxaktiven Einheit entfernt ist. Insbesondere kann die Elektrode das Reduktionsmittel darstellen.In the context of the present invention, the term “reducing agent” denotes a chemical compound (chemical substance) which, by donating electrons to another chemical compound (chemical substance, electron donor, electron acceptor), this other chemical compound (chemical substance , Electron donor, electron acceptor) reduced. The reducing agent behaves analogously to an electron donor, but is used in the context of the present invention as a term for an external electron donor which does not directly belong to the redox-active unit. In this context, “not immediately” means that the reducing agent is either a free redox-active substance that is not bound to the nucleic acid oligomer, but is in contact with it, or that the reducing agent is covalently bound to the nucleic acid oligomer, but at a point on the nucleic acid oligomer that connects at least two covalently Nucleotides or at least two covalently linked pyrimidine or purine bases are removed from the covalent attachment site of the redox-active unit. In particular, the electrode can represent the reducing agent.
Mit dem Begriff "freie redoxaktive Substanz" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein freies, nicht kovalent mit der redoxaktiven Einheit, dem Nukleinsäure- Oligomer oder der leitfähigen Oberfläche verbundenes, aber mit diesen, z. B. über die der modifizierten leitfähigen Oberfläche zugefügte Lösung, in Kontakt stehendes Oxidations- oder Reduktionsmittel bezeichnet, wobei die freie redoxaktive Substanz z. B. ein ungeladenes Molekül, eine beliebiges Salz, ein Ion oder ein redoxaktives Protein oder Enzym (Oxidoreductase) sein kann. Die freie redoxaktive Substanz ist dadurch gekennzeichnet, dass sie den Donor (bzw. den Akzeptor) der katalytisch redoxaktiven Einheit reduzieren (bzw. oxidieren) kann. Insbesondere ist das spezifische Substrat der katalytisch redoxaktiven Einheit eine freie, redoxaktive Substanz.In the context of the present invention, the term “free redox-active substance” is used to mean a free one that is not covalently linked to the redox-active unit, the nucleic acid oligomer or the conductive surface, but with these, e.g. B. on the modified conductive surface added solution, in contact oxidizing or reducing agent called, the free redox active substance z. B. can be an uncharged molecule, any salt, an ion or a redox-active protein or enzyme (oxidoreductase). The free redox-active substance is characterized in that it can reduce (or oxidize) the donor (or the acceptor) of the catalytically redox-active unit. In particular, the specific substrate of the catalytically redox-active unit is a free, redox-active substance.
Das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer ist direkt oder indirekt (über einen Spacer) an eine leitfähige Oberfläche gebunden. Unter dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird jede elektrisch leitfähige Oberfläche beliebiger Dicke verstanden, insbesondere metallische Oberflächen, Oberflächen aus Metallegierungen oder dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen, wobei sämtliche Halbleiter als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden können. Die leitfähige Oberfläche kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung alleine oder auf einem beliebigen Trägermaterial, wie z. B. Glas, aufgebracht vorliegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "Elektrode" alternativ zu "leitfähige Oberfläche" gebraucht.The modified nucleic acid oligomer is bound directly or indirectly (via a spacer) to a conductive surface. The term “conductive surface” is understood to mean any electrically conductive surface of any thickness, in particular metallic surfaces, surfaces made of metal alloys or doped or undoped semiconductor surfaces, it being possible for all semiconductors to be used as pure substances or as mixtures. In the context of the present invention, the conductive surface can be used alone or on any carrier material, such as, for. B. glass, applied. In the context of the present invention, the term “electrode” is used as an alternative to “conductive surface”.
Unter dem Begriff "modifizierte leitfähige Oberfläche" wird eine leitfähige Oberfläche verstanden, die durch Anbindung eines mit einer katalytisch redoxaktiven Einheit modifizierten Nukleinsäure-Oligomers modifiziert ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff "funktionalisierte Elektrode" alternativ zum Begriff "modifizierte leitfähige Oberfläche" gebraucht.The term "modified conductive surface" is understood to mean a conductive surface which is modified by binding a nucleic acid oligomer modified with a catalytically redox-active unit. In the context of the present invention, the term “functionalized electrode” is used as an alternative to the term “modified conductive surface”.
Gemäß eines weiteren Aspekts betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren, das die elektrochemische Detektion molekularer Strukturen wie z. B. die Detektion des Substrats, insbesondere aber die elektrochemische Detektion von DNA-/RNA-/PNA- Fragmenten in einer Probenlösung durch sequenzspezifische Nukleinsäure-Oligomer- Hybridisierung ermöglicht. Die Detektion der Hybridisierungsereignisse durch elektrische Signale ist eine einfache und kostengünstige Methode und ermöglicht in einer batteriebetriebenen Variante den Einsatz vor Ort.According to a further aspect, the present invention relates to a method which enables the electrochemical detection of molecular structures such as e.g. B. the detection of the substrate, but especially the electrochemical detection of DNA / RNA / PNA fragments in a sample solution by sequence-specific nucleic acid oligomer Hybridization enables. The detection of hybridization events by means of electrical signals is a simple and inexpensive method and enables use on site in a battery-operated variant.
Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Ausleseverfahren zur Detektion molekularer Strukturen zur Verfügung, unter anderem zur parallelen Detektion von Hybridisierungsereignissen auf einem Oligomer-Chip durch Auslesen elektrischer Signale in einem Mikroelektroden-Array. Erfindungsgemäß wird unter einem über Mikroelektroden ansteuerbaren Ausleseverfahren ein Verfahren verstanden, bei dem die Detektion molekularer Strukturen auf einer bestimmten Elektrode innerhalb des mit katalytisch redoxaktiven Einheiten funktionalisierten Elektroden-Arrays durch elektrische Ansteuerung dieser Elektrode, z. B. direkt oder über cMOS-Technologie erreicht wird. Desweiteren kann eine parallele Detektion von Hybridisierungsereignissen auch dadurch erreicht werden, dass entweder beim Aufbau der verschiedenen funktionalisierten Elektroden eines Elektroden-Arrays verschiedene katalytisch redoxaktive Einheiten für die einzelnen Elektroden des Arrays verwendet werden oder dass eine durchgängig leitfähige Oberfläche zum Aufbau der funktionalisierten Elektroden verwendet wird und die Unterscheidbarkeit molekularer Strukturen auf einem bestimmten Bereich mit identischem Elektrodenaufbau (eines bestimmten Test- Sites) innerhalb des Gesamtsystems (des kompletten Oligomer-Chips) dadurch erreicht wird, dass für die einzelnen Test-Sites verschiedene katalytisch redoxaktive Einheiten verwendet werden, die über die selektive Zugabe des jeweiligen spezifischen Substrats angesprochen werden können. Bei letzterer Variante wird aufgrund der durchgängigen leitfähigen Oberfläche die elektrochemische Antwort des gesamten Oligomerchips detektiert, die Adressierung und das Auslesen der elektrochemischen Antwort einzelner Testsites erfolgt durch die selektive Zugabe des jeweils für dieses Test-Site spezifischen Substrats.In addition, the present invention provides a readout method for the detection of molecular structures, among other things for the parallel detection of hybridization events on an oligomer chip by reading out electrical signals in a microelectrode array. According to the invention, a read-out method that can be controlled via microelectrodes is understood to mean a method in which the detection of molecular structures on a specific electrode within the electrode array functionalized with catalytically redox-active units by electrical control of this electrode, eg. B. is achieved directly or via cMOS technology. Furthermore, parallel detection of hybridization events can also be achieved either by using different catalytically redox-active units for the individual electrodes of the array when building up the different functionalized electrodes of an electrode array, or by using a continuously conductive surface to build up the functionalized electrodes and the distinguishability of molecular structures on a certain area with identical electrode structure (of a certain test site) within the overall system (of the complete oligomer chip) is achieved by using different catalytically redox-active units for the individual test sites Addition of the specific substrate can be addressed. In the latter variant, the electrochemical response of the entire oligomer chip is detected due to the continuous conductive surface, the addressing and the reading out of the electrochemical response of individual test sites is carried out by the selective addition of the substrate specific for this test site.
Weiterhin stellt die Erfindung in der Ausführungsform eines Elektroden-Arrays aus Elektroden, die mit jeweils unterschiedlichen katalytisch redoxaktiven Einheiten funktionalisiert wurden, ein über Mikroelektroden ansteuerbares Detektionsverfahren zur parallelen qualitativen und quantitativen Detektion von redoxaktiven Substanzen, dem jeweiligen Substrat der verschiedenen katalytisch redoxaktiven Einheiten der Elektroden innerhalb eines Elektroden-Arrays, dar. Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-OligomerFurthermore, in the embodiment of an electrode array comprising electrodes that have been functionalized with different catalytically redox-active units, the invention provides a detection method that can be controlled via microelectrodes for the parallel qualitative and quantitative detection of redox-active substances, the respective substrate of the various catalytically redox-active units of the electrodes within of an electrode array. Binding of a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer
Voraussetzung für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer. Die katalytisch redoxaktive Einheit kann z. B. jedes beliebige redoxaktive Protein/Enzym aus der Gruppe der Oxidasen bzw. der Reduktasen, durch Proteinengineering oder Genmutation veränderte Proteine/Enzyme aus dieser Gruppe der Oxidasen bzw. Reduktasen oder eine künstlich hergestellte Einheiten aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Elektron-Donor bzw. Akzeptor) bzw. eine künstlich hergestellte Einheiten aus einem oder mehreren redoxaktiven Zentren (Elektron-Donor bzw. Akzeptor) und einem oder mehreren diese redoxaktiven Zentren bindenden Makromolekülen sein.A prerequisite for the method according to the invention is the binding of a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer. The catalytically redox-active unit can, for. B. any redox-active protein / enzyme from the group of oxidases or reductases, proteins / enzymes from this group of oxidases or reductases modified by protein engineering or gene mutation or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or . Acceptor) or an artificially produced unit from one or more redox-active centers (electron donor or acceptor) and one or more macromolecules binding these redox-active centers.
Als Beispiele einer katalytisch redoxaktiven Einheit seien genannt:Examples of a catalytically redox-active unit are:
(i) redoxaktive Proteine/Enzyme, wie z. B. die Oxidoreeduktasen, von denen in der folgenden Tabelle 1 einige zusammengestellt sind. Die kovalente Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit (des redoxaktiven Proteins/Enzyms) erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt über eine kovalente Anbindung des Cofaktors mit anschließender Rekonstitution des Apoproteins an den an das Nukleinsäure-Oligomer angebundenen Cofaktor. Bei katalytisch redoxaktiven Einheiten (redoxaktiven Proteinen/Enzymen) mit mehreren Cofaktoren wird einer der Cofaktoren (in der nachfolgenden Tabelle 1 fett gedruckt) kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebunden und die katalytisch redoxaktive Einheit durch rekonstitution mit den restlichen Cofaktoren und dem Apoprotein komplettiert. (i) redox active proteins / enzymes such as e.g. B. the oxidoreeductases, some of which are summarized in Table 1 below. In the context of the present invention, the covalent attachment of the catalytically redox-active unit (the redox-active protein / enzyme) is preferably carried out by covalent attachment of the cofactor with subsequent reconstitution of the apoprotein to the cofactor attached to the nucleic acid oligomer. In the case of catalytically redox-active units (redox-active proteins / enzymes) with several cofactors, one of the cofactors (printed in bold in Table 1 below) is covalently bound to the nucleic acid oligomer and the catalytically redox-active unit is completed by reconstitution with the remaining cofactors and the apoprotein.
Tabelle 1: Auswahl einiger redoxaktiver Enzyme (Oxidoreduktasen) als Beispiele katalytisch redoxaktiver Einheiten.Table 1: Selection of some redox-active enzymes (oxidoreductases) as examples of catalytically redox-active units.
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(ii) modifizierte redoxaktive Proteine/Enzyme wie unter (i) vorgestellt, die durch Proteinengineering oder Genmutation verändert wurden und weiterhin katalytische bzw. elektrokatalytische Aktivität besitzen.(ii) modified redox-active proteins / enzymes as presented under (i), which have been changed by protein engineering or gene mutation and continue to have catalytic or electrocatalytic activity.
(iii) künstlich hergestellte katalytisch redoxaktive Einheiten aus Elektron-Donor(en) und oder Eletron-Akzeptoren und Makromolekülen, die eine katalytische bzw. elektrokatalytische Aktivität besitzen.(iii) Artificially produced catalytically redox-active units from electron donor (s) and or eletron acceptors and macromolecules which have a catalytic or electrocatalytic activity.
(iv) NAD+-abhängige Enzyme wie z. B. Lactatdehydrogenase (LDH, EC 1.1.1.27) oder Alkoholdehydrogenase (ADH, EC 1.1.1.1). Bei der Verwendung von NAD+-abhängige Enzymen kann die katalytisch redoxaktive Einheit (z. B. LDH oder ADH) an das Nukleinsäure-Oligomer angebunden werden, indem (modifiziertes) NAD+ direkt oder über einen Spacer (Beispiel 3) kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden wird und das NAD+-abhängige Enzym dann durch nichtkovalente Wechselwirkung mit dem (modifizierten) NAD+ assoziiert. (iv) NAD + dependent enzymes such as e.g. B. lactate dehydrogenase (LDH, EC 1.1.1.27) or alcohol dehydrogenase (ADH, EC 1.1.1.1). When using NAD + -dependent enzymes, the catalytically redox-active unit (e.g. LDH or ADH) can be bound to the nucleic acid oligomer by (modified) NAD + directly or via a spacer (Example 3) covalently to the nucleic acid -Oligomer is bound and the NAD + -dependent enzyme is then associated with the (modified) NAD + by noncovalent interaction.
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Struktur 1: Monomer der Glucoseoxidase (GOx). Das Apoprotein besteht aus α- helikalen und ß-Faltblatt Domänen, das Coenzym Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) ist in Form des raumfüllenden Schalottenmodells eingezeichnet. Die Struktur des FAD ist in Formel 1 gezeigt. In seiner nativen Erscheinungsform liegt die GOx als Homodimer vor. Structure 1: Monomer of glucose oxidase (GOx). The apoprotein consists of α-helical and ß-sheet domains, the coenzyme flavin-adenine dinucleotide (FAD) is shown in the form of the space-filling shallot model. The structure of the FAD is shown in Formula 1. In its native form, the GOx is available as a homodimer.
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Formel 1 Formel 2Formula 1 Formula 2
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Formel 3 Formel 4Formula 3 Formula 4
M = 2H, Mg, Zn, Cu, Ni, Pd, Co, Cd, Mn, Fe(ll), Fe(lll), Sn, Pt etc.; R, bis R12 sind unabhängig voneinander H oder beliebige Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinyl-Substituenten.
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M = 2H, Mg, Zn, Cu, Ni, Pd, Co, Cd, Mn, Fe (ll), Fe (III), Sn, Pt etc .; R 1 to R 12 are independently H or any alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent.
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Daneben zeichnet sich die katalytisch redoxaktive Einheit erfindungsgemäß dadurch aus, dass besagte Einheit an ein ebenfalls kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebundenes Oxidationsmittel Elektronen abgibt bzw. von einen anderen ebenfalls kovalent an das Oligonukleotid angebundenen Reduktionsmittel Elektronen aufnimmt, wobei dieses Oxidations- oder Reduktionsmittel insbesondere eine elektrisch leitfähige Oberfläche (Elektrode) sein kann und die katalytisch redoxaktive Einheit, insbesondere das redoxaktive Zentrum der Einheit, durch Anlegen einer äußeren Spannung an dieser Elektrode im elektrochemisch zugänglichen Potentialbereich der Elektrode elektrooxidiert/-reduziert werden kann.In addition, the catalytically redox-active unit is distinguished according to the invention in that said unit gives off electrons to an oxidizing agent which is likewise covalently bound to the nucleic acid oligomer, or accepts electrons from another reducing agent which is likewise covalently bound to the oligonucleotide, this oxidizing or reducing agent in particular one can be electrically conductive surface (electrode) and the catalytically redox-active unit, in particular the redox-active center of the unit, can be electrooxidized / reduced by applying an external voltage to this electrode in the electrochemically accessible potential range of the electrode.
Die katalytisch redoxaktive Einheit zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass das redoxaktive Zentrum der Einheit (direkt oder nach der spezifischen Reaktion mit dem Substrat) an einer Elektrode oxidiert bzw. reduziert werden kann und der Ursprungszustand der katalytisch redoxaktiven Einheit - vor der Oxidation bzw. Reduktion an der Elektrode - durch die spezifische Reaktion der katalytisch redoxaktiven Einheit mit dem zugehörigem Substrat in einer spezifischen katalytischen Reaktion wiederhergestellt wird. Erfindungsgemäß kann dazu jede katalytisch redoxaktive Einheit verwendet werden, solange sie bzw. das redoxaktive Zentrum der katalytisch redoxaktiven Einheit bei einem Potential φ, das der Bedingung 2,0 V > φ > - 2,0 V genügt, oxidierbar und reduzierbar ist. Das Potential bezieht sich hierbei auf das freie, unmodifizierte, redoxaktive Zentrum der katalytisch redoxaktiven Einheit in einem geeigneten Lösungsmittel, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Potentialbereich 1 ,7 V > φ > - 1.7 V bevorzugt, wobei der Bereich 1 ,4 V ≥ φ > - 1 ,2 V besonders bevorzugt ist und der Bereich 0,9 V > φ > - 0,7 V, in dem die redoxaktive Zentren der Anwendungsbeispiele oxidiert (und rereduziert) werden, ganz besonders bevorzugt ist.According to the invention, the catalytically redox-active unit is distinguished by the fact that the redox-active center of the unit (directly or after the specific reaction with the substrate) can be oxidized or reduced on an electrode and the original state of the catalytically redox-active unit - before the oxidation or reduction on the electrode - is restored in a specific catalytic reaction by the specific reaction of the catalytically redox-active unit with the associated substrate. According to the invention, any catalytically redox-active unit can be used for this as long as it or the redox-active center of the catalytically redox-active unit can be oxidized and reduced at a potential φ which satisfies the condition 2.0 V>φ> - 2.0 V. The potential here relates to the free, unmodified, redox-active center of the catalytically redox-active unit in one suitable solvent, measured against normal hydrogen electrode. In the context of the present invention, the potential range 1.7 V>φ> - 1.7 V is preferred, the range 1.4 V ≥ φ> - 1.2 V being particularly preferred and the range 0.9 V>φ> - 0 , 7 V, in which the redox-active centers of the application examples are oxidized (and reduced), is very particularly preferred.
Weiterhin zeichnet sich die katalytisch redoxaktive Einheit erfindungsgemäß dadurch aus, dass durch Einbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit in die elektrochemische Oxidation oder Reduktion das für die redoxaktive Zentrum der Einheit spezifische Substrat elektrokatalytisch an einer Elektrode oxidiert bzw. reduziert wird, d. h. bei einem Potential bei dem in Abwesenheit der katalytisch redoxaktiven Einheit kein oder nur sehr geringer Strom fließen würde bzw. unter Entstehen eines katalytischen (Zusatz-)Stroms.Furthermore, according to the invention, the catalytically redox-active unit is characterized in that, by incorporating the catalytically redox-active unit in the electrochemical oxidation or reduction, the substrate specific for the redox-active center of the unit is oxidized or reduced electrocatalytically on an electrode. H. at a potential at which no or only very little current would flow in the absence of the catalytically redox-active unit, or under the formation of a catalytic (additional) current.
Erfindungsgemäß wird eine katalytisch redoxaktive Einheit an ein Nukleinsäure- Oligomer kovalent durch die Reaktion des Nukleinsäure-Oligomers mit der katalytisch redoxaktiven Einheit oder Teilen davon (siehe auch Abschnitt "Wege zur Ausführung der Erfindung") gebunden. Diese Bindung kann auf fünf verschiedene Arten durchgeführt werden:According to the invention, a catalytically redox-active unit is covalently bound to a nucleic acid oligomer by the reaction of the nucleic acid oligomer with the catalytically redox-active unit or parts thereof (see also section “Ways of carrying out the invention”). This binding can be done in five different ways:
a) Als reaktive Gruppe zur Bindungsbildung am Nukleinsäure-Oligomer wird eine freie Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe des Oligonukleotid-Rückgrats, insbesondere eine Gruppe an einem der beiden Enden des Oligonukleotid-Rückgrats, verwendet. Die freien, endständigen Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen weisen eine erhöhte Reaktivität auf und gehen daher leicht typische Reaktionen wie z. B. Amidbildung mit (primären oder sekundären) Aminogruppen bzw. mit Säuregruppen, Esterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Alkoholen bzw. mit Säuregruppen, Thioesterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Thio-Alkoholen bzw. mit Säuregruppen oder die Kondensation von Amin und Aldehyd mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N Bindung zur CH2-NH Bindung ein. Die zur kovalenten Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit nötige Kopplungsgruppe (Säure-, Amin-, Alkohol-, Thioalkohol- oder Aldehydfunktion) ist entweder natürlicherweise an der katalytisch redoxaktiven Einheit vorhanden oder wird durch chemische Modifikation der katalytisch redoxaktiven Einheit erhalten. Die Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit kann komplett oder in Teilen der Einheit mit anschließender Vervollständigung der katalytisch redoxaktiven Einheit erfolgen (siehe unten). b) Das Nukleinsäure-Oligomer ist über einen kovalent angebundenen Molekülteil (Spacer) beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge (längste durchgehende Kette von aneinander gebundenen Atomen), insbesondere der Kettenlänge 1 bis 14, am Oligonukleotid-Rückgrat bzw. an einer Base mit einer reaktiven Gruppe modifiziert. Die Modifikation erfolgt bevorzugt an einem der Enden des Oligonukleotid-Rückgrats bzw. an einer terminalen Base. Als Spacer kann z.B. ein Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinylsubstituent verwendet werden. Mögliche einfache Reaktionen zur Ausbildung der kovalenten Bindung zwischen katalytisch redoxaktiver Einheit und des so modifizierten Nukleinsäure-Oligomers sind wie unter a) beschrieben, die Amidbildung aus Säure- und Amino-Gruppe, die Esterbildung aus Säure- und Alkohol-Gruppe, die Thioesterbildung aus Säure- und Thio-Alkohol-Gruppe oder die Kondensation von Aldehyd und Amin mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N Bindung zur CH2-NH Bindung. Die Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit kann komplett oder in Teilen der katalytisch redoxaktiven Einheit mit anschließender Vervollständigung der Einheit erfolgen (siehe unten).a) A reactive group for binding formation on the nucleic acid oligomer is a free phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group of the oligonucleotide backbone, in particular a group at one of the two ends of the oligonucleotide backbone, used. The free, terminal phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easily typical reactions such. B. amide formation with (primary or secondary) amino groups or with acid groups, ester formation with (primary, secondary or tertiary) alcohols or with acid groups, thioester formation with (primary, secondary or tertiary) thio alcohols or with acid groups or the condensation of Amine and aldehyde with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 -NH bond. The coupling group (acid, amine, alcohol, thioalcohol or aldehyde function) required for the covalent attachment of the catalytically redox-active unit is either naturally present on the catalytically redox-active unit or is obtained by chemical modification of the catalytically redox-active unit. The connection of the catalytically redox-active unit can take place completely or in parts of the unit with subsequent completion of the catalytically redox-active unit (see below). b) The nucleic acid oligomer is modified via a covalently linked part of the molecule (spacer) of any composition and chain length (longest continuous chain of bonded atoms), in particular chain length 1 to 14, on the oligonucleotide backbone or on a base with a reactive group , The modification is preferably carried out at one of the ends of the oligonucleotide backbone or at a terminal base. For example, an alkyl, alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent can be used as spacer. Possible simple reactions for the formation of the covalent bond between the catalytically redox-active unit and the nucleic acid oligomer modified in this way are as described under a), the amide formation from the acid and amino group, the ester formation from the acid and alcohol group, the thioester formation from acid - And thio-alcohol group or the condensation of aldehyde and amine with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 -NH bond. The connection of the catalytically redox-active unit can take place completely or in parts of the catalytically redox-active unit with subsequent completion of the unit (see below).
c) Im Falle von katalytisch redoxaktiven Einheiten, die FAD/FADH2 als Cofaktoren besitzen wird bei der Synthese des Nukleinsäure-Oligomers als terminale Base ein phosphoryliertes Adenin verwendet und dieses durch Fusion mit Flavin-Mononukleotid zu einem FAD-Derivat (ß-D-2-Desoxiribose-FAD) modifiziert und die katalytisch redoxaktive Einheit durch Rekonstitution mit der von (einem) FAD befreiten katalytisch redoxaktiven Einheit komplettiert.c) In the case of catalytically redox-active units which have FAD / FADH 2 as cofactors, a phosphorylated adenine is used as the terminal base in the synthesis of the nucleic acid oligomer and this is fused to a FAD derivative (β-D- by fusion with flavin mononucleotide). 2-deoxiribose-FAD) and the catalytically redox-active unit is completed by reconstitution with the catalytically redox-active unit freed from (a) FAD.
d) Bei Verwendung NAD+/NADH-abhängiger Enzyme (Enzyme aus Cofaktor(en) und Apoprotein(en), die für einen vollständigen Ablauf des katalytischen Reaktionszyklus neben dem spezifischen Substrat auch NAD+ bzw. NADH benötigen wie z. B. die Lactatdehydrogenase (LDH) oder die Alkoholdehydrogenase (ADH)) kann die katalytisch redoxaktive Einheit (z. B. das LDH oder ADH) an das Nukleinsäure- Oligomer angebunden werden, indem (modifiziertes) NAD+ direkt (wie hier unter (a) beschrieben) oder über einen Spacer (wie hier unter (b) bzw. in Beispiel 3 beschrieben) kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden wird und das NAD+-abhängige Enzym dann durch nichtkovalente Wechselwirkung mit dem (modifizierten) NAD+- assoziiert wird.d) When using NAD + / NADH-dependent enzymes (enzymes from cofactor (s) and apoprotein (s) which, in addition to the specific substrate, also require NAD + or NADH in order to complete the catalytic reaction cycle, such as lactate dehydrogenase (LDH) or the alcohol dehydrogenase (ADH)), the catalytically redox-active unit (e.g. the LDH or ADH) can be bound to the nucleic acid oligomer by (modified) NAD + directly (as described here under (a)) or is covalently bound to the nucleic acid oligomer via a spacer (as described here under (b) or in Example 3) and the NAD + -dependent enzyme is then associated with the (modified) NAD + - by noncovalent interaction.
e) Bei der Synthese des Nukleinsäure-Oligomers wird eine terminale Base bzw. ein terminales Nukleotid durch einen Cofaktor der katalytisch redoxaktive Einheit ersetzt und die katalytisch redoxaktive Einheit durch Rekonstitution mit der von diesem Cofaktor befreiten katalytisch redoxaktiven Einheit komplettiert (siehe unten). Erfindungsgemäß kann die Bindung der katalytisch redoxaktiven Einheit an das Nukleinsäure-Oligomer ganz oder in Teilen vor oder nach der Bindung des Nukleinsäure-Oligomers an die leitfähige Oberfläche erfolgen. So kann im Falle eines redoxaktiven Proteins/Enzyms aus Apoprotein und Cofaktor(en) statt der kompletten katalytisch redoxaktiven Einheit auch nur das Apoprotein, das Apoprotein und ein Teil der Cofaktoren oder ein oder mehrere Cofaktoren angebunden sein und die katalytisch redoxaktive Einheit wird durch anschließende Rekonstitution mit den noch fehlenden Teilen komplettiert.e) In the synthesis of the nucleic acid oligomer, a terminal base or a terminal nucleotide is replaced by a cofactor of the catalytically redox-active unit and the catalytically redox-active unit is completed by reconstitution with the catalytically redox-active unit freed from this cofactor (see below). According to the invention, the binding of the catalytically redox-active unit to the nucleic acid oligomer can take place in whole or in part before or after the binding of the nucleic acid oligomer to the conductive surface. In the case of a redox-active protein / enzyme consisting of apoprotein and cofactor (s), instead of the complete catalytically redox-active unit, only the apoprotein, the apoprotein and part of the cofactors or one or more cofactors can be linked and the catalytically redox-active unit is subsequently reconstituted completed with the missing parts.
Bei mehreren verschiedenen Nukleinsäure-Oligomer-Kombinationen (Test-Sites) auf einem Elektroden-Array ist es vorteilhaft, die (kovalente) Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit an die Nukleinsäure-Oligomere durch geeignete Wahl der reaktiven Gruppe an den freien Nukleinsäure-Oligomerenden der verschiedenen Elektroden/Test-Sites für die gesamte Oberfläche zu vereinheitlichen, wenn die katalytisch redoxaktive Einheit nach Immobilisierung des Nukleinsäure-Oligomers an der Oberfläche angebunden werden soll.In the case of several different nucleic acid-oligomer combinations (test sites) on an electrode array, it is advantageous to connect the (covalent) catalytic redox-active unit to the nucleic acid oligomers by suitable choice of the reactive group on the free nucleic acid oligomer ends of the different Standardize electrodes / test sites for the entire surface if the catalytically redox-active unit is to be attached to the surface after immobilization of the nucleic acid oligomer.
Bei Verwendung von redoxaktiven Proteinen/Enzymen als katalytisch redoxaktiver Einheit kann die kovalente Anbindung des Nukleinsäure-Oligomers an eine beliebige, natürlicherweise vorhandene oder durch Modifikation angebrachte, reaktive Gruppe des Proteins erfolgen oder - in dem Falle, dass das redoxaktive Protein/Enzym aus Apoprotein und Cofaktor(en) besteht - an eine beliebige, natürlicherweise vorhandene oder durch Modifikation angebrachte, reaktive Gruppe eines (beliebigen) Cofaktors. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die kovalente Anbindung an eine beliebige, natürlicherweise vorhandene oder durch Modifikation angebrachte, reaktive Gruppe eines (beliebigen) Cofaktors des Proteins bevorzugt. Ohne an mechanistische Details gebunden sein zu wollen, ist bei mehreren Cofaktoren derjenige besonders bevorzugt, der Elektronen an ein externes, ebenfalls kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebundenes Oxidationsmittel abgeben oder von einem externen, ebenfalls kovalent an das Nukleinsäure-Oligomer angebundenen Reduktionsmittel aufnehmen kann (siehe auch Abschnitt "Verfahren zur amperometrischen Detektion von Nukleinsäure- Oligomer-Hybriden").If redox-active proteins / enzymes are used as the catalytically redox-active unit, the nucleic acid oligomer can be covalently bound to any naturally occurring or modification-attached reactive group of the protein or - in the case that the redox-active protein / enzyme consists of apoprotein and Cofactor (s) exist - to any reactive group of any arbitrary cofactor that is present naturally or is attached by modification. In the context of the present invention, the covalent attachment to any, naturally present or modification-attached, reactive group of an (arbitrary) cofactor of the protein is preferred. Without wishing to be bound to mechanistic details, one is particularly preferred in the case of a plurality of cofactors that can donate electrons to an external oxidizing agent which is likewise covalently bound to the nucleic acid oligomer or which can take up an external reducing agent which is likewise covalently bound to the nucleic acid oligomer ( see also section "Method for amperometric detection of nucleic acid-oligomer hybrids").
Die leitfähige OberflächeThe conductive surface
Unter dem Begriff "leitfähige Oberfläche" wird erfindungsgemäß jeder Träger mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche beliebiger Dicke verstanden, insbesondere Oberflächen aus Platin, Palladium, Gold, Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei, Aluminium und Mangan.According to the invention, the term “conductive surface” is understood to mean any carrier with an electrically conductive surface of any thickness, in particular Surfaces made of platinum, palladium, gold, cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead, aluminum and manganese.
Daneben können auch beliebige dotierte oder nicht dotierte Halbleiteroberflächen beliebiger Dicke verwendet werden. Sämtliche Halbleiter können als Reinsubstanzen oder als Gemische Verwendung finden. Als nicht einschränkend gemeinte Beispiele seien an dieser Stelle Kohlenstoff, Silizium, Germanium, α-Zinn, Cu(l)- und Ag(l)- Halogenide beliebiger Kristallstruktur genannt. Geeignet sind ebenfalls sämtliche binären Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 14 und 16, den Elementen der Gruppen 13 und 15, sowie den Elementen der Gruppen 15 und 16. Daneben können ternäre Verbindungen beliebiger Zusammensetzung und beliebiger Struktur aus den Elementen der Gruppen 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 lUPAC-Empfehlung von 1985.In addition, any doped or undoped semiconductor surfaces of any thickness can also be used. All semiconductors can be used as pure substances or as mixtures. As non-limiting examples, carbon, silicon, germanium, α-tin, Cu (l) - and Ag (l) - halides of any crystal structure are mentioned here. Also suitable are all binary compounds of any composition and structure from the elements of groups 14 and 16, the elements of groups 13 and 15, and the elements of groups 15 and 16. In addition, ternary compounds of any composition and structure from the elements of Groups 11, 13 and 16 or the elements of groups 12, 13 and 16 can be used. The names of the groups in the Periodic Table of the Elements refer to the 1985 IUPAC recommendation.
Bindung eines Nukleinsäure-Oligomers an die leitfähige OberflächeBinding of a nucleic acid oligomer to the conductive surface
Erfindungsgemäß wird ein Nukleinsäure-Oligomer direkt oder über einen Linker/Spacer mit den Oberflächenatomen oder -molekülen einer leitfähigen Oberfläche der oben beschriebenen Art verknüpft. Diese Bindung kann auf drei verschiedene Arten durchgeführt werden:According to the invention, a nucleic acid oligomer is linked directly or via a linker / spacer to the surface atoms or molecules of a conductive surface of the type described above. This binding can be done in three different ways:
a) Die Oberfläche wird so modifiziert, dass eine reaktive Molekül-Gruppe zugänglich ist. Dies kann durch direkte Derivatisierung der Oberflächenmoleküle, z. B. durch naßchemische oder elektrochemische Oxidation/Reduktion geschehen. So kann z. B. die Oberfläche von Graphitelektroden durch Oxidation naßchemisch mit Aldehyd- oder Carbonsäure-Gruppen versehen werden. Elektrochemisch besteht z. B. die Möglichkeit durch Reduktion in Gegenwart von Aryl-Diazoniumsalzen das entsprechende (funktionalisierte, also mit einer reaktiven Gruppe versehene) Aryl-Radikal oder durch Oxidation in Gegenwart von R'C02H das (funktionalisierte) R'-Radikal auf der Graphit- Elektrodenoberfläche anzukoppeln. Ein Beispiel der direkten Modifikation von Halbleiteroberflächen ist die Derivatisierung von Siliziumoberflächen zu reaktiven Silanolen, d. h. Silizium-Träger mit Si-OR" Gruppen an der Oberfläche, wobei R" ebenso wie R' einen beliebigen, funktionalisierten, organischen Rest darstellt (z.B. Alkyl-, Alkenyl-, Alkinyl-, Heteroalkyl-, Heteroalkenyl- oder Heteroalkinylsubstituent). Alternativ kann die gesamte Oberfläche durch die kovalente Anbindung einer reaktiven Gruppe eines bifunktionalen Linkers modifiziert werden, so dass auf der Oberfläche eine monomolekulare Schicht beliebiger Moleküle entsteht, die, bevorzugt endständig, eine reaktive Gruppe enthalten. Unter dem Begriff "bifunktionaler Linker" wird jedes Molekül beliebiger Kettenlänge, insbesondere der Kettenlängen 2-14, mit zwei gleichen (homo-bifunktional) oder zwei verschiedenen (hetero-bifunktional) reaktiven Molekül- Gruppen verstanden.a) The surface is modified so that a reactive group of molecules is accessible. This can be done by direct derivatization of the surface molecules, e.g. B. done by wet chemical or electrochemical oxidation / reduction. So z. B. the surface of graphite electrodes can be provided by wet chemical oxidation with aldehyde or carboxylic acid groups. Electrochemically z. B. the possibility by reduction in the presence of aryl diazonium salts the corresponding (functionalized, that is provided with a reactive group) aryl radical or by oxidation in the presence of R'C0 2 H the (functionalized) R 'radical on the graphite Coupling the electrode surface. An example of the direct modification of semiconductor surfaces is the derivatization of silicon surfaces to reactive silanols, ie silicon substrates with Si-OR "groups on the surface, where R" as well as R 'represents any functionalized organic residue (e.g. alkyl, Alkenyl, alkynyl, heteroalkyl, heteroalkenyl or heteroalkynyl substituent). Alternatively, the entire surface can be modified by the covalent attachment of a reactive group of a bifunctional linker, so that on the surface a monomolecular layer of any molecules is formed which preferably contain a reactive group at the end. The term “bifunctional linker” means any molecule of any chain length, in particular chain lengths 2-14, with two identical (homo-bifunctional) or two different (hetero-bifunctional) reactive groups of molecules.
Sollen mehrere verschiedene Test-Sites auf der Oberfläche durch Ausnutzen der Methodik der Photolithographie gebildet werden, so ist mindestens eine der reaktiven Gruppen des homo- oder hetereo-bifunktionalen Linkers eine photoinduzierbar reaktive Gruppe, d. h. eine erst durch Lichteinstrahlung bestimmter oder beliebiger Wellenlänge reaktiv werdende Gruppe. Dieser Linker wird so aufgebracht, dass die/eine photoaktivierbare reaktive Gruppe nach der kovalenten Anbindung des Linkers auf der Oberfläche zur Verfügung steht. An die so modifizierte Oberfläche werden die Nukleinsäure-Oligomere kovalent angebunden, wobei diese selbst über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, mit einer reaktiven Gruppe modifiziert sind, bevorzugt in der Nähe eines Endes des Nukleinsäure-Oligomers. Bei der reaktiven Gruppe des Oligonukleotids handelt es sich um Gruppen, die direkt (oder indirekt) mit der modifizierten Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren. Daneben kann an die Nukleinsäure- Oligomere in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, angebunden ist. Desweiteren kann die katalytisch redoxaktive Einheit (komplett oder Bestandteile davon), alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Nukleinsäure-Oligomers angebunden sein.If several different test sites are to be formed on the surface by using the methodology of photolithography, then at least one of the reactive groups of the homo- or hetero-bifunctional linker is a photo-inducible reactive group, i. H. a group that becomes reactive only through light irradiation of a certain or any wavelength. This linker is applied in such a way that the photoactivatable reactive group is available on the surface after the linker has been covalently bound. The nucleic acid oligomers are covalently attached to the surface modified in this way, whereby they themselves are modified with a reactive group via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14, preferably near one end of the nucleic acid oligomer. The reactive group of the oligonucleotide is a group which reacts directly (or indirectly) with the modified surface to form a covalent bond. In addition, a further reactive group can be bound to the nucleic acid oligomers in the vicinity of their second end, this reactive group, in turn, as described above, being attached directly or via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14. Furthermore, as an alternative to this further reactive group, the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the nucleic acid oligomer.
b) Das Nukleinsäure-Oligomer, das auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht werden soll, ist über einen kovalent angebundenen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, mit einer oder mehreren reaktiven Gruppen modifiziert, wobei sich die reaktive Gruppen bevorzugt in der Nähe eines Endes des Nukleinsäure-Oligomers befindet. Bei den reaktiven Gruppen handelt es sich um Gruppen, die direkt mit der unmodifizierten Oberfläche reagieren können. Beispiele hierfür sind: (i) Thiol- (HS-) oder Disulfid- (S-S-) derivatisierte Nukleinsäure- Oligomere der allgemeinen Formel (n x HS-Spacer)-oligo, (n x R-S-S-Spacer)-oligo oder oligo-Spacer-S-S-Spacer-oligo, die mit einer Goldoberfläche unter Ausbildung von Gold-Schwefelbindungen reagieren oder (ii) Amine, die sich durch Chemi- oder Physisorption an Platin- oder Silizium-Oberflächen anlagern. Daneben kann an die Nukleinsäure-Oligomere in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, angebunden ist. Desweiteren kann die katalytisch redoxaktive Einheit (komplett oder Bestandteile davon) alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Oligonukleotids angebunden sein. Insbesondere Nukleinsäure-Oligomere die mit mehreren Spacer-verbrückten Thiol oder Disulfidbrücken modifiziert sind ((n x HS-Spacer)-oligo bzw. (n x R-S-S-Spacer)-oligo) haben den Vorteil, dass solche Nukleinsäure-Oligomere unter einem bestimmten Anstellwinkel gegen die leitfähige Oberfläche (Winkel zwischen der Oberflächennormalen und der Helixachse eines doppelsträngigen helikalen Nukleinsäure-Oligomers bzw. zwischen der Oberflächennormalen und der Achse senkrecht zu den Basenpaaren eines doppelsträngigen nicht-helikalen Nukleinsäure- Oligomers) aufgebracht werden können, wenn die die Thiol- bzw. Disulfid-Funktionen an das Nukleinsäure-Oligomer anbindenden Spacer, von einem Ende der Nukleinsäure her betrachtet, eine zunehmende bzw. abnehmende Kettenlänge besitzen.b) The nucleic acid oligomer to be applied to the conductive surface is modified with one or more reactive groups via a covalently attached spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14, the reactive groups preferably being in the Is located near one end of the nucleic acid oligomer. The reactive groups are groups that can react directly with the unmodified surface. Examples of these are: (i) thiol (HS) or disulfide (SS) derivatized nucleic acid oligomers of the general formula (nx HS spacer) oligo, (nx RSS spacer) oligo or oligo spacer SS -Spacer-oligo that react with a gold surface to form gold-sulfur bonds or (ii) amines that attach to platinum or silicon surfaces through chemical or physical sorption. In addition, a further reactive group can be bound to the nucleic acid oligomers in the vicinity of their second end, this reactive group in turn, as described above, directly or is connected via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14. Furthermore, as an alternative to this further reactive group, the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the oligonucleotide. In particular, nucleic acid oligomers which are modified with a plurality of spacer-bridged thiol or disulfide bridges ((nx HS spacer) oligo or (nx RSS spacer) oligo) have the advantage that such nucleic acid oligomers at a certain angle of attack against the conductive surface (angle between the surface normal and the helix axis of a double-stranded helical nucleic acid oligomer or between the surface normal and the axis perpendicular to the base pairs of a double-stranded non-helical nucleic acid oligomer) can be applied if the thiol or disulfide Functions to the nucleic acid oligomer spacer, viewed from one end of the nucleic acid, have an increasing or decreasing chain length.
c) Als reaktive Gruppe am Sonden-Nukleinsäure-Oligomer werden die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen des Oligonukleotid-Rückgrats, insbesondere endständige Gruppen, verwendet. Die Phosphorsäure-, Zucker-C-3- Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen weisen eine erhöhte Reaktivität auf und gehen daher leicht typische Reaktionen wie z. B. Amidbildung mit (primären oder sekundären) Amino- bzw. Säuregruppen, Esterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Alkoholen bzw. Säuregruppen, Thioesterbildung mit (primären, sekundären oder tertiären) Thio-Alkoholen bzw. Säuregruppen oder die Kondensation von Amin und Aldehyd mit anschließender Reduktion der entstandenen CH=N Bindung zur CH2- NH Bindung ein. Die nötige Kopplungs-Gruppe zur kovalenten Anbindung an die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe ist in diesem Fall ein Teil der Oberflächenderivatisierung mit einer (monomolekularen) Schicht beliebiger Moleküllänge, wie unter a) in diesem Abschnitt beschrieben, oder die Phosphorsäure-, Zucker-C-3-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe kann direkt mit der unmodifizierten Oberfläche reagieren, wie unter b) in diesem Abschnitt beschrieben. Daneben kann an die Oligonukleotide in der Nähe ihres zweiten Endes eine weitere reaktive Gruppe gebunden sein, wobei diese reaktive Gruppe wiederum, wie oben beschrieben, direkt oder über einen Spacer beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge, insbesondere der Kettenlänge 1 - 14, angebunden ist. Desweiteren kann die katalytisch redoxaktive Einheit (komplett oder Bestandteile davon), alternativ zu dieser weiteren reaktiven Gruppe, an diesem zweiten Ende des Nukleinsäure- Oligomers angebunden sein. Die Bindung des Nukleinsäure-Oligomers an die leitfähige Oberfläche kann vor oder nach der Anbindung der katalytisch redoxaktive Einheit an das Nukleinsäure-Oligomer erfolgen. Im Falle eines redoxaktiven Proteins/Enzyms aus Apoprotein und Cofaktor(en) kann statt der kompletten katalytisch redoxaktiven Einheit auch nur das Apoprotein, das Apoprotein mit einem Teil der Cofaktoren oder ein oder mehrere der Cofaktor angebunden sein und die katalytisch redoxaktive Einheit wird durch anschließende Rekonstitution mit den noch fehlenden Teilen komplettiert. Bei der Verwendung eines verknüpften (wenigstens bimolekularen) Elekton-Donor-/Elektron- Akzeptor-Komplexes als redoxaktive Einheit kann der Elektron-Akzeptor ( bzw. -Donor), wie unter b) oder c) im Abschnitt "Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer" beschrieben, an eine oder statt einer terminalen Base an das Nukleinsäure-Oligomer gebunden sein und der Elektron-Donor (bzw. -Akzeptor) durch anschließende kovalente Anbindung an eine reaktive Gruppe des Elektron-Akzeptors (oder -Donors) angebunden werden oder, wie unter a) im Abschnitt "Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer" beschrieben, durch anschließende Anbindung an eine terminale reaktive Gruppe des Nukleinsäure- Oligomer-Rückgrats am selben Ende (siehe auch den Abschnitt "Wege zur Ausführung der Erfindung"). Alternativ kann die Bindung des Nukleinsäure-Oligomers an die leitfähige Oberfläche vor oder nach Anbinden des mit einer reaktiven Gruppe versehenen Spacers zur Bindung der katalytisch redoxaktiven Einheit erfolgen. Die Bindung des bereits modifizierten Nukleinsäure-Oligomers an die leitfähige Oberfläche, d. h. die Bindung an die Oberfläche nach der Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit an das Nukleinsäure-Oligomer bzw. nach der Anbindung von Teilen der katalytisch redoxaktiven Einheit oder nach Anbinden des mit einer reaktiven Gruppe versehenen Spacers zur Bindung der katalytisch redoxaktiven Einheit, erfolgt ebenfalls wie unter a) bis c) in diesem Abschnitt beschrieben.c) The reactive group on the probe nucleic acid oligomer is the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups of the oligonucleotide backbone, in particular terminal groups. The phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine groups have an increased reactivity and are therefore easy to carry out typical reactions such. B. amide formation with (primary or secondary) amino or acid groups, ester formation with (primary, secondary or tertiary) alcohols or acid groups, thioester formation with (primary, secondary or tertiary) thio alcohols or acid groups or the condensation of amine and Aldehyde with subsequent reduction of the resulting CH = N bond to the CH 2 - NH bond. In this case, the coupling group required for covalent attachment to the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group is part of the surface derivatization with a (monomolecular) layer of any molecular length, as under a) in described in this section, or the phosphoric acid, sugar-C-3-hydroxy, carboxylic acid or amine group can react directly with the unmodified surface, as described under b) in this section. In addition, a further reactive group can be bound to the oligonucleotides near their second end, this reactive group, in turn, as described above, being attached directly or via a spacer of any composition and chain length, in particular chain length 1-14. Furthermore, as an alternative to this further reactive group, the catalytically redox-active unit (complete or components thereof) can be attached to this second end of the nucleic acid oligomer. The nucleic acid oligomer can be bound to the conductive surface before or after the catalytically redox-active unit has been bound to the nucleic acid oligomer. In the case of a redox-active protein / enzyme consisting of apoprotein and cofactor (s), instead of the complete catalytically redox-active unit, only the apoprotein, the apoprotein with some of the cofactors or one or more of the cofactors can be linked, and the catalytically redox-active unit is obtained by subsequent reconstitution completed with the missing parts. When using a linked (at least bimolecular) electron-donor / electron-acceptor complex as the redox-active unit, the electron-acceptor (or donor), as under b) or c) in the section "Binding a catalytically redox-active unit a nucleic acid oligomer ", be bound to or instead of a terminal base on the nucleic acid oligomer and the electron donor (or acceptor) is bound by subsequent covalent attachment to a reactive group of the electron acceptor (or donor) are or, as described under a) in the section "Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer", by subsequent attachment to a terminal reactive group of the nucleic acid oligomer backbone at the same end (see also the section "Ways of carrying out the Invention"). Alternatively, the nucleic acid oligomer can be bound to the conductive surface before or after the spacer provided with a reactive group is bound to bind the catalytically redox-active unit. The binding of the already modified nucleic acid oligomer to the conductive surface, ie the binding to the surface after the connection of the catalytically redox-active unit to the nucleic acid oligomer or after the connection of parts of the catalytically redox-active unit or after the connection with a reactive group provided spacers for binding the catalytically redox-active unit is also carried out as described under a) to c) in this section.
Bei der Herstellung der Test-Sites muß bei der Anbindung der Einzelstrang- Nukleinsäure-Oligomere an die Oberfläche darauf geachtet werden, dass zwischen den einzelnen Nukleinsäure-Oligomeren ein genügend großer Abstand verbleibt, um zum einen den für eine Hybridisierung mit dem Target-Nukleinsäure-Oligomer nötigen Freiraum und zum anderen den für die Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit nötigen Freiraum zur Verfügung zu stellen. Dazu bieten sich insbesondere drei verschiedene Vorgehensweisen (und Kombinationen daraus) an:When producing the test sites, when connecting the single-stranded nucleic acid oligomers to the surface, care must be taken to ensure that there is a sufficiently large distance between the individual nucleic acid oligomers, on the one hand, for the hybridization with the target nucleic acid To provide the oligomer with the necessary space and, on the other hand, the space required for the connection of the catalytically redox-active unit. There are three different approaches (and combinations thereof) in particular:
1.) Herstellung einer modifizierten Oberfläche durch Anbindung eines hybridisierten Nukleinsäure-Oligomers, also eine Oberflächen-Derivatisierung mit hybridisiertem Sonden-Nukleinsäure-Oligomer statt mit Einzelstrang-Sonden-Oligonukleotid. Der zur Hybridisierung verwendete Nukleinsäure-Oligomer-Strang ist unmodifiziert (die Oberflächenanbindung wird durchgeführt wie unter a) - c) in diesem Abschnitt beschrieben). Anschließend wird der hybridisierte Nukleinsäure-Oligomer-Doppelstrang thermisch dehybridisiert, wodurch eine mit Einzelstrang- Nukleinsäure-Oligomer modifizierte Oberfläche mit größerem Abstand zwischen den Sonden-Nukleinsäure- Oligomeren hergestellt wird.1.) Production of a modified surface by binding a hybridized nucleic acid oligomer, ie a surface derivatization with hybridized probe-nucleic acid oligomer instead of with single-stranded probe oligonucleotide. The nucleic acid oligomer strand used for hybridization is unmodified (the Surface connection is carried out as described under a) - c) in this section). The hybridized nucleic acid-oligomer double strand is then thermally dehybridized, as a result of which a surface modified with single-strand nucleic acid oligomer is produced with a greater distance between the probe-nucleic acid oligomers.
2.) Herstellung einer modifizierten Oberfläche durch Anbindung eines Einzelstrangoder Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomers, wobei während der Oberflächen- Derivatisierung ein geeigneter monofunktionaler Linker zugesetzt wird, der neben dem Einzelstrang- oder Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomer ebenfalls an die Oberfläche gebunden wird (die Oberflächenanbindung wird durchgeführt wie unter a) - c) in diesem Abschnitt beschrieben). Erfindungsgemäß hat der monofunktionale Linker eine Kettenlänge, die der Kettenlänge des Spacers zwischen der Oberfläche und dem Nukleinsäure-Oligomer identisch ist oder um maximal vier Kettenatome abweicht. Bei der Verwendung von Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomer zur Oberflächen- Derivatisierung wird der Nukleinsäure-Oligomer-Doppelstrang nach der gemeinsamen Anbindung des Doppelstrang- Nukleinsäure-Oligomers und des Linkers an die Oberfläche thermisch dehybridisiert. Durch die gleichzeitige Anbindung eines Linkers an die Oberfläche wird der Abstand zwischen den ebenfalls an die Oberfläche gebundenen Einzel- oder Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomeren vergrößert. Im Falle der Verwendung von Doppelstrang-Nukleinsäure-Oligomer wird dieser Effekt durch die anschließende thermische Dehybridisierung noch verstärkt.2.) Production of a modified surface by attaching a single strand or double strand nucleic acid oligomer, a suitable monofunctional linker being added during the surface derivatization, which is also bound to the surface in addition to the single strand or double strand nucleic acid oligomer (the surface attachment is carried out as described under a) - c) in this section). According to the invention, the monofunctional linker has a chain length which is identical to the chain length of the spacer between the surface and the nucleic acid oligomer or which deviates by a maximum of four chain atoms. When double-stranded nucleic acid oligomer is used for surface derivatization, the nucleic acid-oligomer double strand is thermally dehybridized after the double stranded nucleic acid oligomer and the linker have been bonded to the surface. The simultaneous attachment of a linker to the surface increases the distance between the single-stranded or double-stranded nucleic acid oligomers likewise bound to the surface. If double-stranded nucleic acid oligomer is used, this effect is further enhanced by the subsequent thermal dehybridization.
3.) Herstellung einer modifizierten Oberfläche durch Anbindung eines Einzelstrangoder Doppelstrang-Oligonukleotids, an das die katalytisch redoxaktive Einheit bereits angebunden ist, wobei die katalytisch redoxaktive Einheit einen Durchmesser von größer als 30 A aufweist. Bei der Verwendung von Doppelstrang-Oligonukleotid wird der Oligonukleotid-Doppelstrang nach der Anbindung des Doppelstrang-Oligonukleotids an die Oberfläche thermisch dehybridisiert.3.) Production of a modified surface by connecting a single-strand or double-strand oligonucleotide to which the catalytically redox-active unit is already attached, the catalytically redox-active unit having a diameter of greater than 30 A. When using double-stranded oligonucleotide, the oligonucleotide double-strand is thermally dehybridized after the attachment of the double-stranded oligonucleotide to the surface.
Im Bezug auf die einzelnen Schritte zur "Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer" als auch zur "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche" sei darauf verwiesen, dass im Abschnitt "Wege zur Ausführung der Erfindung" die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Schritte, die zum selben Endergebnis führen, an einem Beispiel demonstriert sind (Figur 2). Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-HybridenWith regard to the individual steps for "binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer" and for "binding an oligonucleotide to the conductive surface", it should be pointed out that in the section "Ways of Carrying Out the Invention" the various possible combinations of the individual Steps leading to the same end result are demonstrated using an example (Figure 2). Method for the electrochemical detection of nucleic acid-oligomer hybrids
Vorteilhafterweise werden gemäß dem Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Nukleinsäure-Oligomer-Hybriden mehrere Sonden-Nukleinsäure-Oligomere unterschiedlicher Sequenz, bei der de novo Sequenzierung idealerweise alle nötigen Kombinationen des Nukleinsäure-Oligomers, auf einem Oligomer (DNA)-Chip aufgebracht, um die Sequenz eines beliebigen Target-Nukleinsäure-Oligomers oder einer (fragmentierten) Target-DNA zu detektieren bzw. um Mutationen im Target aufzuspüren und sequenzspezifisch nachzuweisen oder um das Vorhandensein bekannter Gene bzw. bekannter Nukleinsäure-Oligomere zu detektieren.Advantageously, according to the method for the electrochemical detection of nucleic acid-oligomer hybrids, several probe-nucleic acid oligomers of different sequences, in which de novo sequencing ideally all the necessary combinations of the nucleic acid oligomer, are applied to an oligomer (DNA) chip to complete the sequence to detect any target nucleic acid oligomer or a (fragmented) target DNA or to detect mutations in the target and detect them in a sequence-specific manner or to detect the presence of known genes or known nucleic acid oligomers.
Dazu wird ein Array aus Mikroelektroden verwendet, das entweder aus Elektroden besteht, die einzeln und direkt an eine Strom/Spannungsquelle angeschlossen sind oder es wird ein Elektroden-Array durch Mikrostrukturierung auf einer gemeinsamen Oberfläche aufgebracht, bei dem die einzelnen Elektroden über cMOS-Technologie angesteuert und ausgelesen werden können. Auf der leitfähigen Oberfläche der Einzelelektroden (einer Test-Site) werden die Oberflächenatome oder -moleküle mit DNA-/RNA-/PNA-Nukleinsäure-Oligomeren bekannter, aber beliebiger Sequenz, wie oben beschrieben, verknüpft. In einer allgemeinsten Ausführungsform kann aber auch eine einzige Elektrode mit einem einzigen Sonden-Oligonukleotid bzw. einer einizen Sorte von Sonden-Oligonukleotiden (mit gleicher Basensequenz und mit gleicher katalytisch redoxaktiver Einheit) derivatisiert werden. Als Sonden- Nukleinsäure- Oligomere werden Nukleinsäure-Oligomere (z. B. DNA-, RNA- oder PNA-Fragmente) der Basenlänge 3 bis 50, bevorzugt der Länge 5 bis 30, besonders bevorzugt der Länge 8 bis 25 verwendet. Erfindungsgemäß wird oder ist an die Sonden-Nukleinsäure- Oligomere, wie nachfolgend beschrieben, eine katalytisch redoxaktive Einheit gebunden.For this purpose, an array of microelectrodes is used, which either consists of electrodes that are individually and directly connected to a current / voltage source, or an electrode array is applied by microstructuring on a common surface, in which the individual electrodes are controlled using cMOS technology and can be read out. On the conductive surface of the individual electrodes (a test site), the surface atoms or molecules are linked with DNA / RNA / PNA nucleic acid oligomers of known but any sequence, as described above. In a most general embodiment, however, a single electrode can also be derivatized with a single probe oligonucleotide or a unique type of probe oligonucleotide (with the same base sequence and with the same catalytically redox-active unit). Nucleic acid oligomers (eg DNA, RNA or PNA fragments) with a base length of 3 to 50, preferably a length of 5 to 30, particularly preferably a length of 8 to 25, are used as probe nucleic acid oligomers. According to the invention, a catalytically redox-active unit is or is bound to the probe nucleic acid oligomers, as described below.
Desweiteren kann eine parallele Detektion von Hybridisierungsereignissen auch dadurch erreicht werden, dass entweder beim Aufbau der verschiedenen funktionalisierten Elektroden eines Elektroden-Arrays verschiedene katalytisch redoxaktive Einheiten für die einzelnen Elektroden des Arrays verwendet werden oder dass eine durchgängig leitfähige Oberfläche zum Aufbau der funktionalisierten Elektroden verwendet wird und die Unterscheidbarkeit molekularer Strukturen auf einem bestimmten Bereich mit identischem Elektrodenaufbau (eines bestimmten Test- Sites) innerhalb des Gesamtsystems (des kompletten Oligomer-Chips) dadurch erreicht wird, dass für die einzelnen Test-Sites verschiedene katalytisch redoxaktive Einheiten verwendet werden, die über die selektive Zugabe des jeweiligen spezifischen Substrats angesprochen werden können. Bei letzterer Variante wird aufgrund der durchgängigen leitfähigen Oberfläche die elektrochemische Antwort des gesamten Oligomerchips detektiert, die Adressierung und das Auslesen der elektrochemischen Antwort einzelner Testsites erfolgt durch die selektive Zugabe des jeweils für dieses Test-Site spezifischen Substrats.Furthermore, parallel detection of hybridization events can also be achieved either by using different catalytically redox-active units for the individual electrodes of the array when building up the different functionalized electrodes of an electrode array, or by using a continuously conductive surface to build up the functionalized electrodes and the distinguishability of molecular structures on a certain area with identical electrode structure (of a certain test site) within the overall system (of the complete oligomer chip) is achieved by using different catalytically redox-active units for the individual test sites Addition of the specific substrate can be addressed. The latter variant is due to the continuous conductive surface, the electrochemical response of the entire oligomer chip is detected, the addressing and reading of the electrochemical response of individual test sites is carried out by the selective addition of the substrate specific for this test site.
Die Modifikation der Sonden-Nukleinsäure-Oligomere mit einer katalytisch redoxaktiven Einheit kann komplett oder in Bestandteilen der katalytisch redoxaktiven Einheit entweder vor oder nach der Bindung des Sonden-Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche erfolgen. Die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Schritte (Reaktionssequenzen), sind mit Hilfe der Figur 2 am Beispiel einer über ein Sonden-Oligonukleotid an eine Elektrode gebundenen katalytisch redoxaktiven Einheit im Abschnitt "Wege zur Ausführung der Erfindung" demonstriert.The modification of the probe nucleic acid oligomers with a catalytically redox-active unit can take place completely or in components of the catalytically redox-active unit either before or after the binding of the probe oligonucleotide to the conductive surface. The various possible combinations of the individual steps (reaction sequences) are demonstrated with the aid of FIG. 2 using the example of a catalytically redox-active unit bound to an electrode via a probe oligonucleotide in the section “Ways of carrying out the invention”.
Unabhängig von der jeweiligen Reaktionssequenz entsteht ein Oberflächen-Hybrid der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Einheit, wobei "Einheit" repräsentativ für die katalytisch redoxaktive Einheit steht. Die Verbrückungen können natürlich auch ohne Spacer oder mit nur einem Spacer (Elek-ss-oligo-Spacer-Einheit bzw. Elek- Spacer-ss-oligo-Einheit) durchgeführt werden. Im Beispiel der Figur 2 ist die Einheit die Glucoseoxidase (GOx), ein redoxaktives Enzym bestehend aus Apoprotein und Cofaktor. Im Beispiel der Figur 2, 3 und 4 ist die GOx über seinen Cofaktor Flavin- Adenin-Dinukleotid (FAD) in der sogenannten FAD-Protein-Bindungstasche der GOx kovalent mit dem Nukleinsäure-Oligomer verbunden. Die GOx bildet mit dem Cofaktor FAD einen 1:1 Komplex, wobei die GOx in seiner natürlichen Form als Homodimer vorkommt, aber auch in seiner erfindungsrelevanten Erscheinungsform als Monomer katalytische Aktivität aufweist. Im Beispiel der Figur 5 und 6 ist die Einheit Lactatdehydrogenase, ein NAD+-abhängiges Enzym, das durch nichtkovalente Wechselwirkung mit dem kovalent an das Sonden-Oligonukleotid gebundene (modifizierte) NAD+ assoziiert.Regardless of the respective reaction sequence, a surface hybrid of the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer unit is formed, "unit" being representative of the catalytically redox-active unit. The bridges can of course also be carried out without a spacer or with only one spacer (Elek-ss-oligo-spacer unit or Elek-Spacer-ss-oligo unit). In the example in FIG. 2, the unit is glucose oxidase (GOx), a redox-active enzyme consisting of apoprotein and cofactor. In the example of FIGS. 2, 3 and 4, the GOx is covalently linked to the nucleic acid oligomer via its cofactor flavin-adenine dinucleotide (FAD) in the so-called FAD-protein binding pocket of the GOx. The GOx forms a 1: 1 complex with the cofactor FAD, the GOx occurring in its natural form as a homodimer, but also having a catalytic activity in the form of a monomer relevant to the invention. In the example of FIGS. 5 and 6, the unit is lactate dehydrogenase, an NAD + -dependent enzyme which, by noncovalent interaction, associates with the (modified) NAD + covalently bound to the probe oligonucleotide.
Die elektrochemische Kommunikation zwischen der (leitfähigen) Oberfläche und der über ein Einzelstrang-Oligonukleotid verbrückten katalytisch redoxaktiven Einheit ("Einheit") in der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Einheit ist schwach oder gar nicht vorhanden.The electrochemical communication between the (conductive) surface and the catalytically redox-active unit (“unit”) bridged by a single-strand oligonucleotide in the general structure elek-spacer-ss-oligo-spacer unit is weak or nonexistent.
In einem nächsten Schritt werden die Test-Sites mit der zu untersuchenden Nukleinsäure-Oligomer-Lösung (Target) in Kontakt gebracht. Dabei kommt es nur in dem Fall zur Hybridisierung, in dem die Lösung Nukleinsäure-Oligomer-Stränge enthält, die zu den an die leitfähige Oberfläche gebundenen Sonden-Nukleinsäure-Oligomeren komplementär, oder zumindest in weiten Bereichen komplementär sind. Im Falle der Hybridisierung zwischen Sonden- und Target-Nukleinsäure-Oligomer kommt es zu einer verstärkten Leitfähigkeit zwischen der Oberfläche und der katalytisch redoxaktiven Einheit, da diese nunmehr über das aus einem Doppelstrang bestehende Nukleinsäure-Oligomer verbrückt ist. Figur 3 zeigt dies schematisch am Beispiel der Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD(GOx). In Figur 4 ist die Sequenz der Elektron- Transfer-Schritte in Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-FAD(GOx) im Detail gezeigt, während Figur 5 das Beispiel Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH schematisch zeigt und Figur 6 die Sequenz der Elektron-Transfer-Schritte in Elek-Spacer-ds-oligo-NAD+- LDH im Detail darstellt.In a next step, the test sites are brought into contact with the nucleic acid oligomer solution (target) to be examined. Hybridization only occurs in the case in which the solution contains nucleic acid-oligomer strands which are complementary to the probe-nucleic acid oligomers bound to the conductive surface, or at least are complementary in a wide range. In case of Hybridization between probe and target nucleic acid oligomer leads to an increased conductivity between the surface and the catalytically redox-active unit, since this is now bridged by the double-stranded nucleic acid oligomer. Figure 3 shows this schematically using the example of the Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD (GOx). FIG. 4 shows the sequence of the electron transfer steps in Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-FAD (GOx) in detail, while FIG. 5 shows the example of Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD + -LDH schematically shows and Figure 6 shows the sequence of the electron transfer steps in Elek-Spacer-ds-oligo-NAD + - LDH in detail.
Aufgrund der Hybridisierung von Sonden-Nukleinsäure-Oligomer und dem dazu komplementären Nukleinsäure-Oligomer-Strang (Target) verändert sich die elektrische Kommunikation zwischen der (leitfähigen) Oberfläche und der katalytisch redoxaktiven Einheit. Somit kann ein sequenzspezifisches Hybridisierungsereignis durch elektrochemische Verfahren wie z. B. Cyclovoltametrie, Amperometrie, Potentiometrie oder Leitfähigkeitsmessungen detektiert werden.Due to the hybridization of probe-nucleic acid oligomer and the complementary nucleic acid-oligomer strand (target), the electrical communication between the (conductive) surface and the catalytically redox-active unit changes. Thus, a sequence specific hybridization event can be carried out by electrochemical methods such as e.g. B. cyclovoltametry, amperometry, potentiometry or conductivity measurements can be detected.
Bei der Cyclovoltametrie wird das Potential einer stationären Arbeitselektrode zeitabhängig linear verändert. Ausgehend von einem Potential bei dem keine Elektrooxidation oder - reduktion stattfindet, wird das Potential solange verändert bis die redoxaktive Substanz oxidiert oder reduziert wird (also Strom fließt). Nach Durchlaufen des Oxidations- bzw. Reduktionsvorgangs, der in der Strom/Spannungskurve einen zunächst ansteigenden Strom, dann einen Maximalstrom (Peak) und schließlich einen allmählich abfallenden Strom erzeugt, wird die Richtung des Potentialvorschubs umgekehrt. Im Rücklauf wird dann das Verhalten der Produkte der Elektrooxidation oder -reduktion aufgezeichnet.With cyclic voltammetry, the potential of a stationary working electrode is changed linearly as a function of time. Starting from a potential at which there is no electrooxidation or reduction, the potential is changed until the redox-active substance is oxidized or reduced (i.e. current flows). After passing through the oxidation or reduction process, which in the current / voltage curve generates an initially rising current, then a maximum current (peak) and finally a gradually decreasing current, the direction of the potential feed is reversed. The behavior of the products of electrooxidation or reduction is then recorded in the return.
Eine alternative elektrische Detektionsmethode, die Amperometrie, wird dadurch ermöglicht, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch Anlegen eines geeigneten, konstant gehaltenen Elektrodenpotentials zwar elektrooxidiert (elektroreduziert) werden kann, die Rereduktion (Reoxidation) der katalytisch redoxaktiven Einheit in den ursprünglichen Zustand aber nicht wie in der Cyclovoltametrie durch Änderung des Elektrodenpotentials erfolgt, sondern durch ein der Targetlösung zugesetztes geeignetes Reduktionsmittel (Oxidationsmittel), der "redoxaktiven Substanz", wodurch der Stromkreis des Gesamtsystems geschlossen wird. Solange solches Reduktionsmittel (Oxidationsmittel) vorhanden ist bzw. solange das verbrauchte Reduktionsmittel (Oxidationsmittel) an der Gegenelektrode rereduziert (reoxidiert) wird, fließt Strom, der amperometrisch detektiert werden kann und der proportional zur Zahl der Hybridisierungsereignisse ist. Dieses Prinzip der amperometrischen Detektion soll am Beispiel der Glucoseoxidase näher erläutert werden (vgl auch Figur 3 und 4). Das mit einem Ende kovalent an die Elektrode angebundene Sonden-Oligonukleotid kann am anderen, noch freien Ende mit der vollständigen enzymatischen Einheit der Glucoseoxidase funktionalisiert werden, indem z. B. der Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD)-Cofaktor des Enzyms kovalent an das Sonden-Oligonukleotid angebunden wird und anschließend mit dem Glucoseoxidase-Apoprotein (GOx) rekonstituiert wird. Das entstandene Oberflächen- Hybrid der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD(GOx) weist zwischen Elektrode und FAD keine oder nur geringe Leitfähigkeit auf. Im Falle der Hybridisierung mit dem zu "ss-oligo" komplementären Target-Oligonukleotid wird die Leitfähigkeit deutlich erhöht wird. Bei Zusatz des Substrats Glucose zur Target- Oligonukleotid-Lösung wird das FAD der Gukoseoxidase (FAD(GOx)) zu FADH2 der Glucoseoxidase (FADH2(GOx)) reduziert, wobei Glucose zur Gluconsäure oxidiert wird. Liegt nun an der Elektrode ein geeignetes äußeres Potential an, so dass über das hybridisierte Oligonukleotid Elektronen von FADH2(GOx) an die Elektrode abgegeben werden und somit FADH2(GOx) zu FAD(GOx) reoxidiert wird (aber weder Glucose noch Gluconsäure bei diesem Potential elektrooxidiert oder -reduziert werden kann), fließt im System Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-FAD(GOx) solange Strom wie FAD(GOx) durch freie Glucose reduziert wird, d. h. bis die gesamte Glucose verbraucht ist bzw. für den Fall, dass an der Gegenelektrode ein Potential anliegt, bei dem Gluconsäure zu Glucose reduziert werden kann, solange wie Gluconsäure an der Gegenelektrode reduziert wird. Dieser Strom kann amperometrisch detektiert werden und ist proportional zur Zahl der Hybridisierungsereignisse.An alternative electrical detection method, amperometry, is made possible by the fact that the catalytically redox-active unit can be electro-oxidized (electroreduced) by applying a suitable, constantly kept electrode potential, but the re-reduction (reoxidation) of the catalytically redox-active unit to the original state is not as in the cyclic voltammetry takes place by changing the electrode potential, but by means of a suitable reducing agent (oxidizing agent), the "redox-active substance" added to the target solution, whereby the circuit of the entire system is closed. As long as such reducing agent (oxidizing agent) is present or as long as the used reducing agent (oxidizing agent) is reduced (reoxidized) at the counter electrode, current flows which can be detected amperometrically and which is proportional to the number of hybridization events. This principle of amperometric detection will be explained in more detail using the example of glucose oxidase (see also FIGS. 3 and 4). The probe oligonucleotide covalently bound to the electrode at one end can be functionalized at the other, still free end with the complete enzymatic unit of glucose oxidase, for example by B. the flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor of the enzyme is covalently bound to the probe oligonucleotide and then reconstituted with the glucose oxidase apoprotein (GOx). The resulting surface hybrid of the general structure Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-FAD (GOx) has little or no conductivity between the electrode and the FAD. In the case of hybridization with the target oligonucleotide complementary to "ss-oligo", the conductivity is increased significantly. When the substrate glucose is added to the target oligonucleotide solution, the FAD of gucose oxidase (FAD (GOx)) is reduced to FADH 2 of glucose oxidase (FADH 2 (GOx)), whereby glucose is oxidized to gluconic acid. If a suitable external potential is now present at the electrode, so that electrons from FADH 2 (GOx) are released to the electrode via the hybridized oligonucleotide and thus FADH 2 (GOx) is reoxidized to FAD (GOx) (but neither glucose nor gluconic acid is added this potential can be electrooxidized or reduced) flows in the system Elek-Spacer-ds-oligo-Spacer-FAD (GOx) as long as current such as FAD (GOx) is reduced by free glucose, ie until all of the glucose has been consumed or for the case that there is a potential at the counter electrode at which gluconic acid can be reduced to glucose, as long as gluconic acid is reduced at the counter electrode. This current can be detected amperometrically and is proportional to the number of hybridization events.
Bei der potentiometrischen Detektion von Hybridisierungsereignissen wird der Verlauf des Elektrodenpotentials in Abhängigkeit vom z. B. dem Substratverbrauch aufgezeichnet. Hierbei wird z. B. das Potential einer stationären Arbeitselektrode auf das "zero current" Potential E° des Substrats eingestellt. Bei Verbrauch von Substrat durch die katalytisch redoxaktive Einheit (im Falle der Hybridisierung) ändert sich das "zero current" Potential E° in Richtung des Gleichgewichtspotentials E^. Somit erhält man durch die Aufzeichnung des Potentials in Abhängigkeit von der Zeit (~ Substratverbrauch) Aufschluß über den Hybridisierungszustand. Kurze Beschreibung der ZeichnungenIn the potentiometric detection of hybridization events, the course of the electrode potential depending on the z. B. recorded the substrate consumption. Here, for. B. set the potential of a stationary working electrode to the "zero current" potential E ° of the substrate. When substrate is used up by the catalytically redox-active unit (in the case of hybridization), the "zero current" potential E ° changes in the direction of the equilibrium potential E ^. Recording the potential as a function of time (~ substrate consumption) thus provides information about the hybridization state. Brief description of the drawings
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Show it
Fig. 1 Schematische Darstellung der Oligonukleotid-Sequenzierung durch Hybridisierung auf einem Chip;1 shows a schematic representation of oligonucleotide sequencing by hybridization on a chip;
Fig. 2 Verschiedene Reaktionssequenzen zur Herstellung des Oberflächenhybrids Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx). Die katalytisch redoxaktive Einheit in diesem Oberflächenhybrid ist die Glucoseoxidase (GOx) bestehend aus Apoprotein undFlavin-Adenin- Dinukleotid- (FAD-) Cofaktor. Die GOx ist über ihren Cofaktor FAD kovalent über PQQ und einen Spacer mit dem Oligonukleotid verbunden;Fig. 2 Different reaction sequences for the production of the surface hybrid Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-FAD (GOx). The catalytically redox-active unit in this surface hybrid is glucose oxidase (GOx) consisting of apoprotein and flavin adenine dinucleotide (FAD) cofactor. The GOx is covalently linked to the oligonucleotide via its cofactor FAD via PQQ and a spacer;
Fig. 3 Schematische Darstellung der amperometrischen Meßmethode am Beispiel des Oberflächen-Hybrids Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ- FAD(GOx) aus Figur 2 (Inj.: Zugabe (Injektion) des Substrats Glucose);3 shows a schematic representation of the amperometric measurement method using the example of the surface hybrid elek-spacer-ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) from FIG. 2 (injection: addition (injection) of the substrate glucose);
Fig. 4 Detaillierte schematische Darstellung des Oberflächenhybrids Au- S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-FAD(GOx) der Figur 3 mit Gold als Oberflächenmaterial, Mercaptoethanol als Spacer (-S-CH2CH2- Spacer) zwischen Elektrode und Oligonukleotid und -CH2-CH=CH-CO-NH-CH2- CH2-NH-PQQ-NH-CH2-CH2- als Spacer zwischen dem Cofaktor FAD und Oligonukleotid sowie die Darstellung der Sequenz der durch das Substrat induzierten Elektron-Transfer-Schritte. Das Apoprotein des GOx ist nur als Hülle (durchgezogene Linie) angedeutet (vgl. Struktur 1). Das 12 Bp Sonden-Oligonukleotid der exemplarischen Sequenz 5'- TAGTCGGAAGCA-3' ist, als Ausschnitt, im hybridisierten Zustand gezeigt;Fig. 4 Detailed schematic representation of the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-FAD (GOx) of Figure 3 with gold as a surface material, mercaptoethanol as a spacer (-S-CH 2 CH 2 - spacer) between Electrode and oligonucleotide and -CH 2 -CH = CH-CO-NH-CH 2 - CH 2 -NH-PQQ-NH-CH 2 -CH 2 - as a spacer between the cofactor FAD and oligonucleotide and the representation of the sequence by the Substrate induced electron transfer steps. The apx protein of the GOx is only indicated as a shell (solid line) (see structure 1). The 12 bp probe oligonucleotide of the exemplary sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'is shown as a section in the hybridized state;
Fig. 5 Schematische Darstellung der amperometrischen Meßmethode am Beispiel des Oberflächen-Hybrids Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ- NAD+-LDH (Inj.: Zugabe (Injektion) des Substrats Lactat);5 shows a schematic representation of the amperometric measurement method using the example of the surface hybrid Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD + -LDH (Inj .: addition (injection) of the substrate lactate);
Fig. 6 Detaillierte schematische Darstellung des Oberflächenhybrids Au- S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH der Figur 3 mit Gold als Oberflächenmaterial, Mercaptoethanol als Spacer (-S-CH2CH2- Spacer) zwischen Elektrode und Oligonukleotid und und -CH2-CH=CH-CO-NH- CH2-CH2-NH-PQQ-NH-CH2-CH2- als Spacer zwischen dem NAD+ und Oligonukleotid an das ADH assoziiert ist sowie die Darstellung der Sequenz der durch das Substrat induzierten Elektron-Transfer-Schritte. Das 12 bp Sonden-Oligonukleotid der exemplarischen Sequenz 5'- TAGTCGGAAGCA-3' ist, als Ausschnitt, im hybridisierten Zustand gezeigt;Fig. 6 Detailed schematic representation of the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + -LDH of Figure 3 with gold as the surface material, mercaptoethanol as a spacer (-S-CH 2 CH 2 - spacer ) between electrode and oligonucleotide and and -CH 2 -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH-PQQ-NH-CH 2 -CH 2 - is associated as a spacer between the NAD + and oligonucleotide to the ADH as well the representation of the sequence of the electron transfer steps induced by the substrate. The 12 bp probe oligonucleotide of the exemplary sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'is shown as a section in the hybridized state;
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
Eine Bildungseinheit einer exemplarischen Test-Site mit hybridisiertem Target, Au- S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ds- oligo-Spacer-Einheit ist in Figur 4 dargestellt. Unter Bildungseinheit wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die kleinste sich wiederholende Einheit einer Test-Site bzw. einer funktionalisierten Elektrode innerhald des Elektroden-Arrays verstanden. In dem Beispiel der Figur 4 ist die Oberfläche eine Gold-Elektrode. Die Verbindung zwischen Gold-Elektrode und Sonden-Oligonukleotid wurde mit dem Linker (HO-(CH2)2-S)2 aufgebaut, der mit der endständigen Phosphatgruppe am 3' Ende zu P-0-(CH2)2-S-S- (CH2)2-OH verestert wurde und nach homolytischer Spaltung der S-S Bindung an der Gold- Oberfläche je eine Au-S Bindung bewirkte, womit 2-Hydroxy-mercaptoethanol und Mercaptoethanol-verbrücktes Oligonukleotid auf der Oberfläche koadsorbiert wurde. Die katalytisch redoxaktive Einheit im Beispiel der Figur 4 ist die Glucoseoxidase (GOx), ein redoxaktives Enzym bestehend aus Apoprotein und FAD-Cofaktor(en). Im Anwendungsbeispiel ist die GOx über seinen FAD-Cofaktor kovalent mit dem Oligonukleotid verbunden, wobei zuerst freies FAD einer reaktiven Amino-Gruppe versehen wurde (siehe Beispiel 1), dann freies FAD über diese Amino-Gruppe kovalent an das Sonden-Oligonukleotid angebunden wurde (Amidbildung unter Wasserabspaltung mit einer Carbonsäure-Gruppe des PQQ, das mit einer anderen Carbonsäure-Gruppe an die terminalen Aminofunktion des -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2- NH2 Linkers an der C-5-Position des 5'-Thymins des Sondenoligonukleotids gebunden ist) und schließlich das Apoprotein der GOx an FAD rekonstituiert wurde.A formation unit of an exemplary test site with hybridized target, Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) of the general structure elek-spacer-ds-oligo-spacer unit is shown in FIG. 4 shown. In the context of the present invention, formation unit is understood to mean the smallest repeating unit of a test site or of a functionalized electrode within the electrode array. In the example in FIG. 4, the surface is a gold electrode. The connection between gold electrode and probe oligonucleotide was established with the linker (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 , which with the terminal phosphate group at the 3 'end to P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH was esterified and after homolytic cleavage of the SS bond on the gold surface each caused an Au-S bond, with which 2-hydroxy-mercaptoethanol and mercaptoethanol-bridged oligonucleotide was co-adsorbed on the surface. The catalytically redox-active unit in the example in FIG. 4 is glucose oxidase (GOx), a redox-active enzyme consisting of apoprotein and FAD cofactor (s). In the application example, the GOx is covalently linked to the oligonucleotide via its FAD cofactor, free FAD first being provided to a reactive amino group (see Example 1), then free FAD being covalently linked to the probe oligonucleotide via this amino group ( Amide formation with elimination of water with a carboxylic acid group of the PQQ which is linked to the terminal amino function of the -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 - NH 2 linker at the C-5 position of the 5th with another carboxylic acid group '-Thymins of the probe oligonucleotide is bound) and finally the apoprotein of the GOx was reconstituted at FAD.
Wie weiter oben bereits erwähnt, kann die Modifikation der Sonden-Oligonukleotide mit der kompletten oder mit einem Bestandteil der katalytisch redoxaktiven Einheit entweder vor oder nach der Bindung des Sonden-Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche erfolgen. Die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Schritte, die prinzipiell zur selben Bildungseinheit einer Test-Site bzw. einer funktionalisierten Elektrode innerhalb des Elektroden-Arrays führen, sollen im folgenden mit Hilfe der Figur 2 am Beispiel des Oberflächenhybrids Au-S(CH2)2-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) bzw. in seiner allgemeineren Form als Elek-Spacer-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) dargestellt werden.As already mentioned above, the modification of the probe oligonucleotides with the complete or with a component of the catalytically redox-active unit can take place either before or after the binding of the probe oligonucleotide to the conductive surface. The various possible combinations of the individual steps, which in principle lead to the same educational unit of a test site or one Functionalized electrode within the electrode array, should be shown below with the help of Figure 2 using the example of the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) or in its more general form as Elek -Spacer-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD (GOx) are shown.
Die GOx kann durch einfache Manipulation vom FAD-Cofaktor befreit werden (vgl. Beispiel 4), so dass man GOx in zwei Bestandteile, FAD und Apoprotein, zerlegen kann. Das Sonden-Oligonukleotid ist in der Nähe der beiden Enden jeweils über einen (beliebigen) Spacer mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppe versehen. In einer Reaktionssequenz "1" kann das so modifizierte Sonden-Oligonukleotid in Gegenwart eines monofunktionalen Linkers (entsprechend den Punkten a) - c) und 2.) im Abschnitt "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche") gemeinsam mit dem monofunktionalen Linker kovalent an die Elektrode angebunden werden, wobei darauf geachtet wird, dass genügend monofunktionaler Linker geeigneter Kettenlänge zugesetzt wird, um zwischen den einzelnen Sonden-Oligonukleotiden genügend Freiraum für eine Hybridisierung mit dem Target-Oligonukleotid und für die Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit zur Verfügung zu stellen. Danach wird an die freie, spacerverbrückte, reaktive Gruppe des Sonden-Oligonukleotids PQQ und daran N6-(2- Aminoethyl)-FAD (Formel 5 bzw. Beispiel 1) gebunden. Die Anbindung erfolgt wie unter a) bzw. b) im Abschnitt "Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer" bzw. in Beispiel 4 beschrieben. Im letzten Schritt dieser Reaktionssequenz "1" wird dann das Apoprotein der GOx wie in Beispiel 9 beschrieben an den (modifizierten) FAD-Cofaktor rekonstituiert. In einer Variante dazu (Reaktionssequenz "2") kann das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden-Oligonukleotid zuerst ohne freien, monofunktionalen Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode gebunden werden, wobei es zu einer flachen Anlagerung des Oligonukleotids kommt. Danach wird der freie, monofunktionale Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode gebunden. Eine weitere Möglichkeit (Reaktionssequenz "3") besteht darin, das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden- Oligonukleotid zuerst mit PQQ und FAD zu modifizieren, dann in Gegenwart von freiem, monofunktionalen Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode anzubinden und anschließend mit dem GOx-Apoprotein zu rekonstituieren. Schließlich kann in einer Reaktionssequenz "4" das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden- Oligonukleotid zuerst mit PQQ und FAD modifiziert werden, um es dann mit dem GOx- Apoprotein zu rekonstituieren und anschließend kovalent an die Elektrode zu binden. Falls, wie im Fall der GOx, die katalytisch redoxaktive Einheit einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als das hybridisierte ds-Oligonukleotid (größer als 30 A), kann auf die kovalente Anbindung eines geeigneten freien, monofunktionalen Linkers (Spacers) an die Elektrode verzichtet werden, anderenfalls geschieht die funktionalisierten Elektrode innerhalb des Elektroden-Arrays führen, sollen im folgenden mit Hilfe der Figur 2 am Beispiel des Oberflächenhybrids Au-S(CH2)2-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) bzw. in seiner allgemeineren Form als Elek-Spacer-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) dargestellt werden.The GOx can be freed from the FAD cofactor by simple manipulation (see Example 4), so that GOx can be broken down into two components, FAD and apoprotein. The probe oligonucleotide is provided with (identical or different) reactive groups in the vicinity of the two ends via an (arbitrary) spacer. In a reaction sequence "1", the probe oligonucleotide modified in this way can covalently bind together with the monofunctional linker in the presence of a monofunctional linker (corresponding to points a) - c) and 2.) in the section "Binding an oligonucleotide to the conductive surface" the electrode is connected, taking care that enough monofunctional linker of suitable chain length is added in order to provide sufficient space between the individual probe oligonucleotides for hybridization with the target oligonucleotide and for the connection of the catalytically redox-active unit. The free, spacer-bridged, reactive group of the probe oligonucleotide PQQ and then N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (formula 5 or example 1) are bound to it. The binding is carried out as described under a) or b) in the section “Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer” or in Example 4. In the last step of this reaction sequence "1", the apoprotein of GOx is then reconstituted on the (modified) FAD cofactor as described in Example 9. In a variant to this (reaction sequence "2"), the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be covalently bound to the electrode without a free, monofunctional linker (spacer), resulting in a flat attachment of the oligonucleotide. The free, monofunctional linker (spacer) is then covalently bound to the electrode. A further possibility (reaction sequence "3") consists in first modifying the probe oligonucleotide (with spacers and reactive groups) with PQQ and FAD, then covalently binding it to the electrode in the presence of free, monofunctional linker (spacer) and then to reconstitute with the GOx apoprotein. Finally, in a reaction sequence "4", the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be modified with PQQ and FAD, in order to then reconstitute it with the GOx apoprotein and then covalently bind it to the electrode. If, as in the case of the GOx, the catalytically redox-active unit has a substantially larger diameter than the hybridized ds-oligonucleotide (larger than 30 A), the covalent attachment of a suitable free, monofunctional linker (spacer) to the electrode can be dispensed with. otherwise it happens Functionalized electrode within the electrode array, should be shown below with the help of Figure 2 using the example of the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) or in its more general form as Elek -Spacer-ss- oligo-Spacer-PQQ-FAD (GOx) are shown.
Die GOx kann durch einfache Manipulation vom FAD-Cofaktor befreit werden (vgl. Beispiel 4), so dass man GOx in zwei Bestandteile, FAD und Apoprotein, zerlegen kann. Das Sonden-Oligonukleotid ist in der Nähe der beiden Enden jeweils über einen (beliebigen) Spacer mit (gleichen oder verschiedenen) reaktiven Gruppe versehen. In einer Reaktionssequenz "1" kann das so modifizierte Sonden-Oligonukleotid in Gegenwart eines monofunktionalen Linkers (entsprechend den Punkten a) - c) und 2.) im Abschnitt "Bindung eines Oligonukleotids an die leitfähige Oberfläche") gemeinsam mit dem monofunktionalen Linker kovalent an die Elektrode angebunden werden, wobei darauf geachtet wird, dass genügend monofunktionaler Linker geeigneter Kettenlänge zugesetzt wird, um zwischen den einzelnen Sonden-Oligonukleotiden genügend Freiraum für eine Hybridisierung mit dem Target-Oligonukleotid und für die Anbindung der katalytisch redoxaktiven Einheit zur Verfügung zu stellen. Danach wird an die freie, spacerverbrückte, reaktive Gruppe des Sonden-Oligonukleotids PQQ und daran N6-(2- Aminoethyl)-FAD (Formel 5 bzw. Beispiel 1) gebunden. Die Anbindung erfolgt wie unter a) bzw. b) im Abschnitt "Bindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit an ein Nukleinsäure-Oligomer" bzw. in Beispiel 4 beschrieben. Im letzten Schritt dieser Reaktionssequenz "1" wird dann das Apoprotein der GOx wie in Beispiel 9 beschrieben an den (modifizierten) FAD-Cofaktor rekonstituiert. In einer Variante dazu (Reaktionssequenz "2") kann das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden-Oligonukleotid zuerst ohne freien, monofunktionalen Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode gebunden werden, wobei es zu einer flachen Anlagerung des Oligonukleotids kommt. Danach wird der freie, monofunktionale Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode gebunden. Eine weitere Möglichkeit (Reaktionssequenz "3") besteht darin, das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden- Oligonukleotid zuerst mit PQQ und FAD zu modifizieren, dann in Gegenwart von freiem, monofunktionalen Linker (Spacer) kovalent an die Elektrode anzubinden und anschließend mit dem GOx-Apoprotein zu rekonstituieren. Schließlich kann in einer Reaktionssequenz "4" das (mit Spacer und reaktiven Gruppen) modifizierte Sonden- Oligonukleotid zuerst mit PQQ und FAD modifiziert werden, um es dann mit dem GOx- Apoprotein zu rekonstituieren und anschließend kovalent an die Elektrode zu binden. Falls, wie im Fall der GOx, die katalytisch redoxaktive Einheit einen wesentlich größeren Durchmesser aufweist als das hybridisierte ds-Oligonukleotid (größer als 30 A), kann auf die kovalente Anbindung eines geeigneten freien, monofunktionalen Linkers (Spacers) an die Elektrode verzichtet werden, anderenfalls geschieht die Amperometrie zu detektieren. Die einzelnen Elektron Transfer Schritte, die im Oberflächenhybrid Au-S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) durch das Substrat ausgelöst werden, sind in Figur 4 dargestellt. Prinzipiell kann das Oberflächenhybrid Au-S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) unter geeigneten äußeren Umständen auch umgekehrt geschaltet werden, so dass FAD von der Elektrode reduziert wird und reduziertes FAD (FAD~ bzw. FAD2- bzw. FADH2) von einem geeigneten Substrat in einer katalytischen Reaktion oxidiert wird.The GOx can be freed from the FAD cofactor by simple manipulation (see Example 4), so that GOx can be broken down into two components, FAD and apoprotein. The probe oligonucleotide is provided with (identical or different) reactive groups in the vicinity of the two ends via an (arbitrary) spacer. In a reaction sequence "1", the probe oligonucleotide modified in this way can covalently attach to the monofunctional linker in the presence of a monofunctional linker (corresponding to points a) - c) and 2.) in the section "Binding an oligonucleotide to the conductive surface") the electrode is connected, taking care that enough monofunctional linker of suitable chain length is added in order to provide sufficient space between the individual probe oligonucleotides for hybridization with the target oligonucleotide and for the connection of the catalytically redox-active unit. The free, spacer-bridged, reactive group of the probe oligonucleotide PQQ and then N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (formula 5 or example 1) are bound to it. The binding is carried out as described under a) or b) in the section “Binding a catalytically redox-active unit to a nucleic acid oligomer” or in Example 4. In the last step of this reaction sequence "1", the apoprotein of GOx is then reconstituted on the (modified) FAD cofactor as described in Example 9. In a variant to this (reaction sequence "2"), the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be covalently bound to the electrode without a free, monofunctional linker (spacer), resulting in a flat attachment of the oligonucleotide. The free, monofunctional linker (spacer) is then covalently bound to the electrode. Another possibility (reaction sequence "3") is to first modify the probe oligonucleotide (with spacers and reactive groups) using PQQ and FAD, then covalently attach it to the electrode in the presence of free, monofunctional linker (spacer) and then to reconstitute with the GOx apoprotein. Finally, in a reaction sequence "4", the probe oligonucleotide (modified with spacers and reactive groups) can first be modified with PQQ and FAD, in order to then reconstitute it with the GOx apoprotein and then covalently bind it to the electrode. If, as in the case of the GOx, the catalytically redox-active unit has a substantially larger diameter than the hybridized ds-oligonucleotide (larger than 30 A), the covalent attachment of a suitable free, monofunctional linker (spacer) to the electrode can be dispensed with. otherwise it happens Detect amperometry. The individual electron transfer steps which are triggered by the substrate in the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) are shown in FIG. 4. In principle, the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) can also be reversed under suitable external circumstances, so that FAD is reduced by the electrode and reduced FAD (FAD ~ or FAD 2- or FADH 2 ) is oxidized by a suitable substrate in a catalytic reaction.
Eine weiteres Test-Site bzw. eine weitere funktionalisierte Elektrode innerhalb des Elektoden-Arrays, Au-S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH, der allgemeinen Struktur Elek-Spacer-ss-oligo-Spacer-Einheit ist in Figur 5 dargestellt. Durch Zugabe des ADH-Substrats Lactat werden Elektronen auf den FMN-Cofaktor der LDH übertragen und von diesem reduzierten FMN (FMN- bzw. FMN2- bzw. FMNH2) direkt oder unter Beteiligung weiterer Cofaktoren der LDH auf NAD+ weitergeleitet und schließlich vom reduzierten NAD+ (NAD, NAD- bzw. NADH) auf die Elektrode übertragen werden zu können. Im Falle des nicht mit Target-Oligonukleotid hybridisierten Sonden-Oligonukleotids kommt es trotzdem zu keinem Stromfluß zwischen reduziertem NAD+ (NAD, NAD" bzw. NADH) und Elektrode, da die Leitfähigkeit des ss-Oligonukleotids in Au-S(CH2)2-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH sehr gering oder überhaupt nicht vorhanden ist. Im hybridisierten Zustand (Au-S(CH2)2- ds-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH) jedoch ist die Leitfähigkeit hoch, Elektronen können vom reduzierten NAD+ (NAD, NAD" bzw. NADH) zur Elektrode übertragen werden (unter Bildung von NAD+). Dies äußert sich amperometrisch in einem deutlichen Stromfluß zwischen Elektrode und katalytisch redoxaktiver Einheit (Figur 5). Damit ist es möglich, die sequenzspezifische Hybridisierung des Targets mit den Sonden- Oligonukleotiden durch Amperometrie zu detektieren. Die einzelnen Elektron Transfer Schritte, die im Oberflächenhybrid Au-S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-ADH durch das Substrat ausgelöst werden, sind in Figur 6 dargestellt. Prinzipiell kann das Oberflächenhybrid Au-S(CH2)2-ds-oligo-Spacer-PQQ-NAD+"-LDH unter geeigneten äußeren Umständen auch umgekehrt geschaltet werden, so dass NAD+ von der Elektrode reduziert wird und reduziertes NAD+ (NAD, NAD" bzw. NADH) von einem geeigneten Substrat (z. B. Acetaldehyd) in einer katalytischen Reaktion oxidiert wird.Another test site or another functionalized electrode within the electrode array, Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + -LDH, of the general structure Elek-Spacer-ss-oligo- Spacer unit is shown in Figure 5. By adding the ADH substrate lactate, electrons are transferred to the FMN cofactor of the LDH and from this reduced FMN (FMN- or FMN 2 or FMNH 2 ) directly or with the participation of other cofactors of the LDH to NAD + and finally from reduced NAD + (NAD, NAD- or NADH) can be transferred to the electrode. In the case of the probe oligonucleotide not hybridized with the target oligonucleotide, there is still no current flow between the reduced NAD + (NAD, NAD " or NADH) and the electrode, since the conductivity of the ss oligonucleotide in Au-S (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-NAD + -LDH is very low or nonexistent, but in the hybridized state (Au-S (CH 2 ) 2 - ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + -LDH) it is High conductivity, electrons can be transferred from the reduced NAD + (NAD, NAD " or NADH) to the electrode (with the formation of NAD + ). This is expressed amperometrically in a clear current flow between the electrode and the catalytically redox-active unit (FIG. 5). This makes it possible to detect the sequence-specific hybridization of the target with the probe oligonucleotides by amperometry. The individual electron transfer steps which are triggered by the substrate in the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + -ADH are shown in FIG. 6. In principle, the surface hybrid Au-S (CH 2 ) 2 -ds-oligo-spacer-PQQ-NAD + " -LDH can also be reversed under suitable external circumstances, so that NAD + is reduced by the electrode and reduced NAD + (NAD " NAD " or NADH) is oxidized by a suitable substrate (e.g. acetaldehyde) in a catalytic reaction.
Da die Redoxaktivität der katalytisch redoxaktiven Einheit - auch bei passendem Elektrodenpotential - erst durch Zugabe des spezifischen Substrats ausgelöst und maximal solange aufrechterhalten wird, wie Substrat vorhanden ist, kann dies erfindungsgemäß dadurch ausgenutzt werden, dass ein bestimmtes Test-Site oder eine bestimmte Test-Site-Gruppe eines Oligomer-Chips räumlich aufgelöst wird, indem verschiedene katalytsich redoxaktive Einheiten für die verschiedenen Test-Sites (bzw. Test-Site Gruppen) verwendet werden. Dies birgt den erfindungsgemäßen Vorteil, dass die verschiedenen Test-Sites (Nukleinsäure-Oligomer-Kombinationen) eines Oligomer- Chips auf eine gemeinsame, durchgängige, elektrisch leitende Oberfläche aufgebracht werden können und ein bestimmtes Test-Site oder eine bestimmte Test-Site-Gruppen einfach durch Zugabe der jeweiligen spezifische Substrate adressiert und amperometrisch detektiert werden kann. Die verschiedenen Test-Sites müssen also nicht auf einzelnen, elektrisch voneinander isolierten und zum Anlegen eines Potentials und Auslesen des Stroms einzeln ansteuerbaren (Mikro-) Elektroden aufgebracht werden.Since the redox activity of the catalytically redox-active unit - even with a suitable electrode potential - is only triggered by the addition of the specific substrate and is maintained for a maximum of as long as the substrate is present, this can be exploited according to the invention in that a specific test site or a specific test site Group of an oligomer chip is spatially resolved by different catalytically redox-active units for the different test sites (or Test site groups) can be used. This has the advantage according to the invention that the different test sites (nucleic acid-oligomer combinations) of an oligomer chip can be applied to a common, continuous, electrically conductive surface and a specific test site or a specific test site group can be easily applied can be addressed and added by amperometric detection by adding the respective specific substrates. The various test sites therefore do not have to be applied to individual (micro) electrodes which are electrically insulated from one another and can be individually controlled to apply a potential and read out the current.
Daneben können fehlerhafte Basenpaarungen (Basenpaar Mismatches) durch eine geänderte cyclovoltammetrische Charakteristik erkannt werden. Ein Mismatch äußert sich in einem größeren Potentialabstand zwischen den Strommaxima der Elektroreduktion und der Elektroreoxidation (Umkehrung der Elektroreduktion bei umgekehrter Potentialvorschubrichtung) bzw. der Elektrooxidation und Elektrorereduktion in einem cyclovoltammetrisch reversiblen Elektronen-Transfer zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der katalytisch redoxaktiven Einheit. Dieser Umstand wirkt sich vor allem in der amperometrischen Detektion günstig aus, da dort der Strom bei einem Potential getestet werden kann, bei dem zwar das perfekt hybridisierende Oligonukleotid-Target signifikant Strom liefert, nicht aber das fehlerhaft gepaarte Oligonukleotid-Target.In addition, faulty base pairings (base pair mismatches) can be recognized by a changed cyclic voltammetric characteristic. A mismatch manifests itself in a larger potential distance between the current maxima of the electroreduction and the electroreoxidation (reversal of the electroreduction with reversed direction of potential feed) or the electrooxidation and electroreduction in a cyclovoltammetrically reversible electron transfer between the electrically conductive surface and the catalytically redox-active unit. This fact has a particularly favorable effect in amperometric detection, since the current can be tested there at a potential at which the perfectly hybridizing oligonucleotide target delivers significant current, but not the incorrectly paired oligonucleotide target.
Beispiel 1: Modifikation des FAD zum frf-ß-Aminoethy -FAD, Formel 5, bzw. des NAD* zum f-ß-AminoethyO-NAD*: Die Darteilung von N6-(2-Aminoethyl)-FAD erfolgt durch Alkylierung der N-1 Position der Adenin-Einheit von FAD mit Aziridin (Acazyclopropan) unter milden, wässrigen Bedingungen (pH = 3,2 - pH = 5,5) und anschließender intramolekularer Dimroth-Umlagerung unter milden wässrigen Bedingungen (pH = 6 - 6,5, 50 °C) entsprechend der Vorschrift in Bückmann et al, 1991 , European Patent 0.247.537.B1. Alternativ kann auch die Methode von Morris et al Anal. Chem. 53 (1991) 658 - 665 oder Zapelli et al. Eur. J. Biochem. 89 (1978) 491 - 499 angewandt werden. Unter gleichen Reaktionsbedingungen kann auch das N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ hergestellt werden, wenn statt FAD NAD+ als Startsubstanz verwendet wird.Example 1: Modification of the FAD to the frf-β-aminoethyl -FAD, formula 5, or of the NAD * to the f-β-aminoethyO-NAD * : N 6 - (2-aminoethyl) -FAD is prepared by alkylating the N-1 position of the adenine unit of FAD with aziridine (acazyclopropane) under mild, aqueous conditions (pH = 3.2 - pH = 5.5) and subsequent intramolecular Dimroth rearrangement under mild aqueous conditions (pH = 6 - 6, 5, 50 ° C) according to the regulation in Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537.B1. Alternatively, the method of Morris et al Anal. Chem. 53 (1991) 658-665 or Zapelli et al. Eur. J. Biochem. 89 (1978) 491-499. The N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + can also be prepared under the same reaction conditions if NAD + is used as the starting substance instead of FAD.
Beispiel 2: Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S-fCH^^ss-oligo-Spacer-PQQ- FAD(GOx): Die Herstellung von Au-S-(CH2)2-ss-oligo-Spacer-PQQ-FAD(GOx) gliedert sich in 5 Teilabschnitte, nämlich der Darstellung der leitfähigen Oberfläche, der Derivatisierung der Oberfläche mit dem Sonden-Oligonukleotid in Gegenwart eines geeigneten monofunktionalen Linkers (Inkubationsschritt), der kovalenten Anbindung Test-Site Gruppen) verwendet werden. Dies birgt den erfindungsgemäßen Vorteil, dass die verschiedenen Test-Sites (Nukleinsäure-Oligomer-Kombinationen) eines Oligomer- Chips auf eine gemeinsame, durchgängige, elektrisch leitende Oberfläche aufgebracht werden können und ein bestimmtes Test-Site oder eine bestimmte Test-Site-Gruppen einfach durch Zugabe der jeweiligen spezifische Substrate adressiert und amperometrisch detektiert werden kann. Die verschiedenen Test-Sites müssen also nicht auf einzelnen, elektrisch voneinander isolierten und zum Anlegen eines Potentials und Auslesen des Stroms einzeln ansteuerbaren (Mikro-) Elektroden aufgebracht werden.Example 2: Production of the oligonucleotide electrode Au-S-fCH ^^ ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx): The production of Au-S- (CH 2 ) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ-FAD (GOx) is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable monofunctional linker (incubation step), the covalent attachment Test site groups) can be used. This has the advantage according to the invention that the different test sites (nucleic acid-oligomer combinations) of an oligomer chip can be applied to a common, continuous, electrically conductive surface and a specific test site or a specific test site group can be easily applied can be addressed and added by amperometric detection by adding the respective specific substrates. The various test sites therefore do not have to be applied to individual (micro) electrodes which are electrically insulated from one another and can be individually controlled to apply a potential and read out the current.
Daneben können fehlerhafte Basenpaarungen (Basenpaar Mismatches) durch eine geänderte cyclovoltammetrische Charakteristik erkannt werden. Ein Mismatch äußert sich in einem größeren Potentialabstand zwischen den Strommaxima der Elektroreduktion und der Elektroreoxidation (Umkehrung der Elektroreduktion bei umgekehrter Potentialvorschubrichtung) bzw. der Elektrooxidation und Elektrorereduktion in einem cyclovoltammetrisch reversiblen Elektronen-Transfer zwischen der elektrisch leitenden Oberfläche und der katalytisch redoxaktiven Einheit. Dieser Umstand wirkt sich vor allem in der amperometrischen Detektion günstig aus, da dort der Strom bei einem Potential getestet werden kann, bei dem zwar das perfekt hybridisierende Oligonukleotid-Target signifikant Strom liefert, nicht aber das fehlerhaft gepaarte Oligonukleotid-Target.In addition, faulty base pairings (base pair mismatches) can be recognized by a changed cyclic voltammetric characteristic. A mismatch manifests itself in a larger potential distance between the current maxima of the electroreduction and the electroreoxidation (reversal of the electroreduction with reversed direction of potential feed) or the electrooxidation and electroreduction in a cyclovoltammetrically reversible electron transfer between the electrically conductive surface and the catalytically redox-active unit. This fact has a particularly favorable effect in amperometric detection, since the current can be tested there at a potential at which the perfectly hybridizing oligonucleotide target delivers significant current, but not the incorrectly paired oligonucleotide target.
Beispiel 1: Modifikation des FAD zum If-ß-Aminoethylj-FAD, Formel 5, bzw. des NAD+ zum f-fi-AminoethyO-NAD*: Die Darteilung von N6-(2-Aminoethyl)-FAD erfolgt durch Alkylierung der N-1 Position der Adenin-Einheit von FAD mit Aziridin (Acazyclopropan) unter milden, wässrigen Bedingungen (pH = 3,2 - pH = 5,5) und anschließender intramolekularer Dimroth-Umlagerung unter milden wässrigen Bedingungen (pH = 6 - 6,5, 50 °C) entsprechend der Vorschrift in Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537.B1. Alternativ kann auch die Methode von Morris et al Anal. Chem. 53 (1991) 658 - 665 oder Zapelli et al. Eur. J. Biochem. 89 (1978) 491 - 499 angewandt werden. Unter gleichen Reaktionsbedingungen kann auch das N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ hergestellt werden, wenn statt FAD NAD+ als Startsubstanz verwendet wird.Example 1: Modification of the FAD to If-ß-Aminoethylj-FAD, Formula 5, or of NAD + to f-fi-AminoethyO-NAD *: N 6 - (2-aminoethyl) -FAD is prepared by alkylating the N-1 position of the adenine unit of FAD with aziridine (acazyclopropane) under mild, aqueous conditions (pH = 3.2 - pH = 5.5) and subsequent intramolecular Dimroth rearrangement under mild aqueous conditions (pH = 6 - 6, 5, 50 ° C) according to the regulation in Bückmann et al, 1991, European Patent 0.247.537.B1. Alternatively, the method of Morris et al Anal. Chem. 53 (1991) 658-665 or Zapelli et al. Eur. J. Biochem. 89 (1978) 491-499. The N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + can also be prepared under the same reaction conditions if NAD + is used as the starting substance instead of FAD.
Beispiel 2: Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode
Figure imgf000053_0001
FAD(GOx): Die Herstellung von Au-S-fCH^ss-oligo-Spacer-PQQ-FADfGOx) gliedert sich in 5 Teilabschnitte, nämlich der Darstellung der leitfähigen Oberfläche, der Derivatisierung der Oberfläche mit dem Sonden-Oligonukleotid in Gegenwart eines geeigneten monofunktionalen Linkers (Inkubationsschritt), der kovalenten Anbindung des PQQ (Redoxschritt I), der Anbindung des N6-(2-Aminoethyl)-FAD (Redoxschritt II) und der Rekonstitution des Apoproteins der GOx (Rekonstitutionsschritt).
Example 2: Preparation of the oligonucleotide electrode
Figure imgf000053_0001
FAD (GOx): The production of Au-S-fCH ^ ss-oligo-spacer-PQQ-FADfGOx) is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable one monofunctional linker (incubation step), the covalent linkage the PQQ (redox step I), the binding of the N 6 - (2-aminoethyl) -FAD (redox step II) and the reconstitution of the apoprotein the GOx (reconstitution step).
Das Trägermaterial für die kovalente Anbindung der Doppelstrang-Oligonukleotide bildet ein ca. 100 nm dünner Gold-Film auf Mica (Muskovit Plättchen). Dazu wurde in einer elektrischen Entladungskammer frisch gespaltenes Mica mit einem Argon- lonenplasma gereinigt und durch elektrische Entladung Gold (99.99%) in einer Schichtdicke von ca. 100nm aufgebracht. Anschließend wurde der Gold-Film mit 30 % H202, / 70 % H2S04 von Oberflächenverunreinigungen befreit (Oxidation organischer Ablagerungen) und für ca. 20 Minuten in Ethanol getaucht, um an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff zu verdrängen. Nach Abspülen der Oberfläche mit bidestilliertem Wasser wird auf die horizontal gelagerte Oberfläche eine vorher bereitete IxlO"4 molare Lösung des (modifizierten) Doppelstrang-Oligonukleotids aufgetragen, so dass die komplette Gold-Oberfläche benetzt wird (Inkubationsschritt, siehe auch unten).The carrier material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides is formed by an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelet). For this purpose, freshly split mica was cleaned with an argon ion plasma in an electrical discharge chamber and gold (99.99%) was applied in a layer thickness of approx. 100 nm by electrical discharge. The gold film was then freed from surface impurities (oxidation of organic deposits) with 30% H 2 0 2 , / 70% H 2 S0 4 and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface. After rinsing the surface with bidistilled water, a previously prepared IxlO "4 molar solution of the (modified) double-stranded oligonucleotide is applied to the horizontally stored surface so that the entire gold surface is wetted (incubation step, see also below).
Zur Inkubation wurde ein doppelt modifiziertes 12 Bp Einzelstrang-Oligonukleotid der Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA-3' verwendet, das an der Phosphatgruppe des 3' Endes mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-0-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert ist. Am 5'-Ende ist die endständige Base Thymin des Oligonukleotids am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH- CH2-CH2-NH2 modifiziert. Zu einer 2x10" molaren Lösung dieses Oligonukleotids in HEPES-Puffer (0,1 molar in Wasser, pH 7.5 mit 0.7 molarem Zusatz von TEATFB, siehe Abkürzungen) wurde ca. 10"4 bis 10"1 molar 2-Hydroxy-mercaptoethanol gegeben (oder ein anderer Thiol- oder Disulfid-Linker geeigneter Kettenlänge) und die Gold- Oberfläche eines Test-Sites komplett benetzt und 2-24h inkubiert. Während dieser Reaktionszeit wird der Disulfidspacer P-0-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH des Oligonukleotids homolytisch gespalten. Dabei bildet der Spacer mit Au-Atomen der Oberfläche eine kovalente Au-S Bindung aus, wodurch es zu einer 1 :1 Koadsorption des ss- Oligonukleotids und des abgespaltenen 2-Hydroxy-mercaptoethanols kommt. Das in der Inkubationslösung gleichzeitig anwesende, freie 2-Hydroxy-mercaptoethanol wird ebenfalls durch Ausbildung einer Au-S Bindung koadsorbiert (Inkubationsschritt).For the incubation, a double-modified 12 bp single-stranded oligonucleotide of the sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'was used, which at the phosphate group of the 3' end with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH is esterified. At the 5 'end, the terminal base thymine of the oligonucleotide on the C-5 carbon is modified with -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 . About 10 "4 to 10 " 1 molar 2-hydroxy-mercaptoethanol was added to a 2x10 " molar solution of this oligonucleotide in HEPES buffer (0.1 molar in water, pH 7.5 with 0.7 molar addition of TEATFB, see abbreviations) ( or another thiol or disulfide linker of suitable chain length) and the gold surface of a test site completely wetted and incubated for 2-24 hours, during which the disulfide spacer P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH of the oligonucleotide cleaved homolytically, the spacer forming a covalent Au-S bond with Au atoms on the surface, which leads to a 1: 1 coadsorption of the ss oligonucleotide and the cleaved 2-hydroxy-mercaptoethanol Free 2-hydroxy-mercaptoethanol that is simultaneously present in the incubation solution is also adsorbed by forming an Au-S bond (incubation step).
Die so mit einer Monolayer aus ss-Oligonukleotid und 2-Hydroxy-mercaptoethanol modifizierte Goldelektrode wurde mit bidestilliertem Wasser gewaschen und anschließend mit einer Lösung von 3x103 molarem Chinon PQQ, 10"2 molarem EDC und 10"2 molarem sulfo-NHS in HEPES Puffer benetzt. Nach einer Reaktionszeit von ca. 1 - 4 h bilden der -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH2 Spacer und das PQQ eine kovalente Bindung (Amidbildung zwischen der Aminogruppe des Spacers und der C-7- Carbonsäurefunktion des PQQ, Redoxschritt I). Anschließend wurde die so modifizierte Goldelektrode mit bidestilliertem Wasser gewaschen und mit einer Lösung von 1-10 x 10"3 molarem Chinon N6-(2-Aminoethyl)- FAD, 1-5 x 10"2 molarem EDC und 10"2 molarem sulfo-NHS in HEPES Puffer benetzt. Nach einer Reaktionszeit von ca. 1 - 4 h bilden PQQ und das N6-(2-Aminoethyl)-FAD eine kovalente Bindung (Amidbildung zwischen der Aminogruppe des Spacers und der C-2-Carbonsäurefunktion des an das Oligonukleotid gebundenen PQQ, Redoxschritt II)The gold electrode modified with a monolayer of ss-oligonucleotide and 2-hydroxy-mercaptoethanol was washed with bidistilled water and then with a solution of 3x10 3 molar quinone PQQ, 10 "2 molar EDC and 10 " 2 molar sulfo-NHS in HEPES buffer wetted. After a reaction time of approx. 1-4 h, the -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 spacer and the PQQ form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-7 carboxylic acid function of the PQQ, redox step I). The gold electrode modified in this way was then washed with bidistilled water and with a solution of 1-10 x 10 "3 molar quinone N 6 - (2-aminoethyl) - FAD, 1-5 x 10 " 2 molar EDC and 10 "2 molar sulfo -NHS wetted in HEPES buffer After a reaction time of about 1-4 h, PQQ and the N 6 - (2-aminoethyl) -FAD form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-2-carboxylic acid function of the the oligonucleotide-bound PQQ, redox step II)
Letztendlich wurde die so modifizierte Goldelektrode mit bidestilliertem Wasser gewaschen und mit einer Lösung von ca. 5x10'5 molarer FAD-freier GOx in 100 mM Phosphat-Puffer, pH = 7, mit 0.5 molarem Zusatz von TEATFB bei ca. 25 °C für ca. 4 h und danach ca. 12 h bei 4 °C inkubiert, um das Apoprotein der GOx an das Oligonukleotid-gebundene N6-(2-Aminoethyl)-FAD zu rekonstituieren und abschließend mit ca. 4 °C kalter Pufferlösung (100 mM Phosphat, pH = 7 mit 0.5 molarem Zusatz von TEATFB) gewaschen (Rekonstitutionsschritt).Finally, the gold electrode modified in this way was washed with double-distilled water and with a solution of approx. 5x10 '5 molar FAD-free GOx in 100 mM phosphate buffer, pH = 7, with 0.5 molar addition of TEATFB at approx. 25 ° C for approx 4 h and then approx. 12 h at 4 ° C to reconstitute the apoprotein of GOx to the oligonucleotide-bound N 6 - (2-aminoethyl) -FAD and finally with approx. 4 ° C cold buffer solution (100 mM Phosphate, pH = 7 with 0.5 molar addition of TEATFB) washed (reconstitution step).
Beispiel 3: Herstellung der Oligonukleotid-Elektrode Au-S-(CH^2-ss-oligo-Spacer-PQQ- NAD*-LDH: Die Herstellung von Au-S-(CH2)2-ss-oligo-Spacer-PQQ-NAD+-LDH gliedert sich in 5 Teilabschnitte, nämlich der Darstellung der leitfähigen Oberfläche, der Derivatisierung der Oberfläche mit dem Sonden-Oligonukleotid in Gegenwart eines geeigneten monofunktionalen Linkers (Inkubationsschritt), der kovalenten Anbindung des PQQ (Redoxschritt I), der Anbindung des N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ (Redoxschritt II) und der Assoziation mit LDH (Assoziationsschritt).Example 3: Preparation of the oligonucleotide electrode Au-S- (CH ^ 2 -ss-oligo-spacer-PQQ NAD * LDH: The production of Au-S- (CH 2) 2 -ss-oligo-spacer-PQQ -NAD + -LDH is divided into 5 sections, namely the representation of the conductive surface, the derivatization of the surface with the probe oligonucleotide in the presence of a suitable monofunctional linker (incubation step), the covalent attachment of the PQQ (redox step I), the attachment of the N 6 - (2-Aminoethyl) -NAD + (redox step II) and the association with LDH (association step).
Das Trägermaterial für die kovalente Anbindung der Doppelstrang-Oligonukleotide bildet ein ca. 100 nm dünner Gold-Film auf Mica (Muskovit Plättchen). Dazu wurde in einer elektrischen Entladungskammer frisch gespaltenes Mica mit einem Argon- Ionenplasma gereinigt und durch elektrische Entladung Gold (99.99%) in einer Schichtdicke von ca. 100nm aufgebracht. Anschließend wurde der Gold-Film mit 30 % H202, / 70 % H2S04 von Oberflächenverunreinigungen befreit (Oxidation organischer Ablagerungen) und für ca. 20 Minuten in Ethanol getaucht, um an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoff zu verdrängen. Nach Abspülen der Oberfläche mit bidestilliertem Wasser wird auf die horizontal gelagerte Oberfläche eine vorher bereitete IxlO"4 molare Lösung des (modifizierten) Doppelstrang-Oligonukleotids aufgetragen, so dass die komplette Gold-Oberfläche benetzt wird (Inkubationsschritt, siehe auch unten).The carrier material for the covalent attachment of the double-stranded oligonucleotides is formed by an approximately 100 nm thin gold film on mica (muscovite platelet). For this purpose, freshly split mica was cleaned with an argon ion plasma in an electrical discharge chamber and gold (99.99%) was applied in a layer thickness of approx. 100 nm by electrical discharge. The gold film was then freed from surface impurities (oxidation of organic deposits) with 30% H 2 0 2 , / 70% H 2 S0 4 and immersed in ethanol for about 20 minutes in order to displace oxygen adsorbed on the surface. After rinsing the surface with bidistilled water, a previously prepared IxlO "4 molar solution of the (modified) double-stranded oligonucleotide is applied to the horizontally stored surface so that the entire gold surface is wetted (incubation step, see also below).
Zur Inkubation wurde ein doppelt modifiziertes 12 Bp Einzelstrang-Oligonukleotid der Sequenz 5'-TAGTCGGAAGCA-3' verwendet, das an der Phosphatgruppe des 3' Endes mit (HO-(CH2)2-S)2 zum P-0-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH verestert ist. Am 5'-Ende ist die endständige Base Thymin des Oligonukleotids am C-5 Kohlenstoff mit -CH=CH-CO-NH- CH2-CH2-NH2 modifiziert. Zu einer 2x10"4 molaren Lösung dieses Oligonukleotids in HEPES-Puffer (0,1 molar in Wasser, pH 7.5 mit 0.7 molarem Zusatz von TEATFB, siehe Abkürzungen) wurde ca. 10"4 bis 10'1 molar 2-Hydroxy-mercaptoethanol gegeben (oder ein anderer Thiol- oder Disulfid-Linker geeigneter Kettenlänge) und die Gold- Oberfläche eines Test-Sites komplett benetzt und 2-24h inkubiert. Während dieser Reaktionszeit wird der Disulfidspacer P-0-(CH2)2-S-S-(CH2)2-OH des Oligonukleotids homolytisch gespalten. Dabei bildet der Spacer mit Au-Atomen der Oberfläche eine kovalente Au-S Bindung aus, wodurch es zu einer 1:1 Koadsorption des ss- Oligonukleotids und des abgespaltenen 2-Hydroxy-mercaptoethanols kommt. Das in der Inkubationslösung gleichzeitig anwesende, freie 2-Hydroxy-mercaptoethanol wird ebenfalls durch Ausbildung einer Au-S Bindung koadsorbiert (Inkubationsschritt).A double-modified 12 bp single-strand oligonucleotide of the sequence 5'-TAGTCGGAAGCA-3 'was used for the incubation, which was attached to the phosphate group of the 3' end is esterified with (HO- (CH 2 ) 2 -S) 2 to give P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH. At the 5 'end, the terminal base thymine of the oligonucleotide on the C-5 carbon is modified with -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 . About 10 "4 to 10 '1 molar 2-hydroxy-mercaptoethanol was added to a 2x10 " 4 molar solution of this oligonucleotide in HEPES buffer (0.1 molar in water, pH 7.5 with 0.7 molar addition of TEATFB, see abbreviations) (or another thiol or disulfide linker of suitable chain length) and the gold surface of a test site completely wetted and incubated for 2-24 hours. During this reaction time, the disulfide spacer P-0- (CH 2 ) 2 -SS- (CH 2 ) 2 -OH of the oligonucleotide is cleaved homolytically. The spacer forms a covalent Au-S bond with the Au atoms on the surface, which leads to a 1: 1 coadsorption of the SS oligonucleotide and the split off 2-hydroxy-mercaptoethanol. The free 2-hydroxy-mercaptoethanol which is simultaneously present in the incubation solution is also adsorbed by forming an Au-S bond (incubation step).
Die so mit einer Monolayer aus ss-Oligonukleotid und 2-Hydroxy-mercaptoethanol modifizierte Goldelektrode wurde mit bidestilliertem Wasser gewaschen und anschließend mit einer Lösung von 3x10"3 molarem Chinon PQQ, 10"2 molarem EDC und 10"2 molarem sulfo-NHS in HEPES Puffer benetzt. Nach einer Reaktionszeit von ca. 1 - 4 h bilden der -CH=CH-CO-NH-CH2-CH2-NH2 Spacer und das PQQ eine kovalente Bindung (Amidbildung zwischen der Aminogruppe des Spacers und der C-7- Carbonsäurefunktion des PQQ, Redoxschritt I).The gold electrode modified with a monolayer of ss-oligonucleotide and 2-hydroxy-mercaptoethanol was washed with double-distilled water and then with a solution of 3x10 "3 molar quinone PQQ, 10 " 2 molar EDC and 10 "2 molar sulfo-NHS in HEPES After a reaction time of about 1 - 4 h, the -CH = CH-CO-NH-CH 2 -CH 2 -NH 2 spacer and the PQQ form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C- 7- carboxylic acid function of PQQ, redox step I).
Anschließend wurde die so modifizierte Goldelektrode mit bidestilliertem Wasser gewaschen und mit einer Lösung von 1-10 x 10"3 molarem Chinon N6-(2-Aminoethyl)- NAD+, 1-5 x 10"2 molarem EDC und 10"2 molarem sulfo-NHS in HEPES Puffer benetzt. Nach einer Reaktionszeit von ca. 1 - 4 h bilden PQQ und das N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ eine kovalente Bindung (Amidbildung zwischen der Aminogruppe des Spacers und der C-2-Carbonsäurefunktion des an das Oligonukleotid gebundenen PQQ, Redoxschritt II)The gold electrode modified in this way was then washed with bidistilled water and with a solution of 1-10 x 10 "3 molar quinone N 6 - (2-aminoethyl) - NAD + , 1-5 x 10 " 2 molar EDC and 10 "2 molar sulfo-NHS wetted in HEPES buffer After a reaction time of about 1 to 4 h, PQQ and the N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + form a covalent bond (amide formation between the amino group of the spacer and the C-2-carboxylic acid function of the PQQ bound to the oligonucleotide, redox step II)
Letztendlich wurde die so modifizierte Goldelektrode mit bidestilliertem Wasser gewaschen und mit einer Lösung von LDH (5mg/mL) in 10 mM Tris, pH = 7, mit 0.7 molarem Zusatz von TEATFB bei ca. 4 °C für ca. 1 h inkubiert, um LDH an das Oligonukleotid-gebundene N6-(2-Aminoethyl)-NAD+ zu assoziieren und abschließend mit ca. 4 °C kalter Pufferlösung (10 mM Tris, pH = 7 mit 0.7 molarem Zusatz von TEATFB) gewaschen (Assoziationsschritt).Finally, the gold electrode modified in this way was washed with bidistilled water and incubated with a solution of LDH (5 mg / mL) in 10 mM Tris, pH = 7, with 0.7 molar addition of TEATFB at approx. 4 ° C. for approx. 1 h Associate LDH with the oligonucleotide-bound N 6 - (2-aminoethyl) -NAD + and finally wash with approx. 4 ° C cold buffer solution (10 mM Tris, pH = 7 with 0.7 molar addition of TEATFB) (association step).
Beispiel 4: Darstellung des Apoproteins von Glucoseoxidase / Extraktion des FAD aus Glucoseoxidase: Glucoseoxidase (GOx) in Phosphat-Puffer (80mg GOx in 14mL Puffer) mit Zusatz von 6mL Glycerin wird in einem Salz/Eisbad auf -4 °C abgekühlt, stark gerührt und allmählich mit 2,5 %iger H2S04 (v/v) versetzt bis der pH-Wert auf pH = 1 ,4 sinkt und so 2.5 h auf dem Eisbad inkubiert. Anschließend wird das Apoprotein säulenchromatographisch erhalten. Dazu wird eine Sephadex G-50 Säule mit 30% Glycerin in Wasser (v/v) equiliebriert und mit konz. H2S04 auf pH = 1 ,4 gebracht, auf 4 °C gekühlt und die Inkubationslösung aufgetragen. Der Proteinpeak wird bei einer Flußrate von 1 ,3 mUmin eluiert und in einem Vorratsbehälter mit 0.4 molarem Phosphat-Puffer (4 mL mit Zusatz von 200mg Rinderserum-Albumin und 400mg Aktivkohle) aufgefangen (der Proteinpeak kann durch UV-Absorption des Eluats erkannt werden). Das Protein enthaltende Eluat wird auf pH = 7 eingestellt und die Aktivkohle durch Filtration (0.8μm und anschließend 0.22 μm Millipore Filter) entfernt. Schießlich wird 10 %iges Natriumazid in Wasser (w/v) zugegeben bis die Gesamt- Konzentration des Natriumazids 0.1% (w/v) beträgt. EXAMPLE 4 Illustration of the Apoprotein from Glucose Oxidase / Extraction of the FAD from Glucose Oxidase: Glucose Oxidase (GOx) in Phosphate Buffer (80mg GOx in 14mL Buffer) with the Addition of 6mL Glycerol is Cooled to -4 ° C. in a Salt / Ice Bath, vigorously stirred and gradually mixed with 2.5% H 2 S0 4 (v / v) until the pH drops to pH = 1.4 and is thus incubated on the ice bath for 2.5 h. The apoprotein is then obtained by column chromatography. For this purpose, a Sephadex G-50 column with 30% glycerol in water (v / v) is equilibrated and with conc. H 2 S0 4 brought to pH = 1, 4, cooled to 4 ° C and the incubation solution applied. The protein peak is eluted at a flow rate of 1.3 mUmin and collected in a storage container with 0.4 molar phosphate buffer (4 ml with the addition of 200 mg bovine serum albumin and 400 mg activated carbon) (the protein peak can be recognized by UV absorption of the eluate) , The protein-containing eluate is adjusted to pH = 7 and the activated carbon is removed by filtration (0.8 μm and then 0.22 μm Millipore filter). Finally 10% sodium azide in water (w / v) is added until the total concentration of sodium azide is 0.1% (w / v).

Claims

Patentansprüche claims
1.) Durch Anbindung einer katalytisch redoxaktiven Einheit modifiziertes Nukleinsäure- Oligomer, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit ein oder mehrere Elektron-Donor-Moleküle und/oder ein oder mehrere Elektron-1.) By linking a catalytically redox-active unit modified nucleic acid oligomer, characterized in that the catalytically redox-active unit has one or more electron donor molecules and / or one or more electron
Akzeptor-Moleküle und zusätzlich ein oder mehrere Makromoleküle enthält.Contains acceptor molecules and additionally one or more macromolecules.
2.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit kovalent angebunden ist.2.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 1, characterized in that the catalytically redox-active unit is covalently linked.
3.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit über ein oder mehrere3.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 1 or 2, characterized in that the catalytically redox-active unit via one or more
Elektron-Donor-Moleküle kovalent angebunden ist.Electron donor molecules are covalently attached.
4.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit über ein oder mehrere Elektron-Akzeptor-Moleküle kovalent angebunden ist.4.) Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the catalytically redox-active unit is covalently linked via one or more electron acceptor molecules.
5.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit über ein oder mehrere der Makromoleküle kovalent angebunden ist.5.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that the catalytically redox-active unit is covalently linked via one or more of the macromolecules.
6.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit ein redoxaktives Enzym ist.6.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that the catalytically redox-active unit is a redox-active enzyme.
7.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit die native oder modifizierte Glucoseoxidase ist.7.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 6, characterized in that the catalytically redox-active unit is the native or modified glucose oxidase.
8.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit die native oder modifizierte8.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 6, characterized in that the catalytically redox-active unit is the native or modified
Alkoholdehydrogenase oder Fruktosedehydrogenase ist.Alcohol dehydrogenase or fructose dehydrogenase.
9.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit die native oder modifizierte Lactatdehydrogenase ist. 9.) Modified nucleic acid oligomer claim 6, characterized in that the catalytically redox-active unit is the native or modified lactate dehydrogenase.
10.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit eine native oder modifizierte Peroxidase ist.10.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 6, characterized in that the catalytically redox-active unit is a native or modified peroxidase.
11.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Elektron-Donor- und/oder Elektron-11.) Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 1 to 5, characterized in that one or more of the electron donor and / or electron
Akzeptor-Molekül(e) Farbstoffe sind, insbesondere Flavine, oder (Metallo-) Porphyrine bzw. Derivate davon.Acceptor molecule (s) are dyes, especially flavins, or (metallo-) porphyrins or derivatives thereof.
12.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Elektron-Donor- und/oder Elektron- Akzeptor-Molekül(e) Nikotinsäureamide oder Chinone sind, insbesondere Pyrrolo-12.) Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 1 to 5, characterized in that one or more of the electron donor and / or electron acceptor molecule (s) are nicotinamides or quinones, in particular pyrrolo-
Chinolin-Chinone (PQQ) bzw. Derivate davon.Quinoline quinones (PQQ) or derivatives thereof.
13.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer sequenzspezifisch Einzelstrang-DNA, RNA und/oder PNA binden kann.13.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that the modified nucleic acid oligomer can bind sequence-specific single-stranded DNA, RNA and / or PNA.
14.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer ein Desoxyribonukleinsäure-, Ribonukleinsäure-, ein Peptidnukleinsäure-Oligomer oder ein Nukleinsäure- Oligomer mit strukturell analogem Rückgrat ist.14.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 13, characterized in that the modified nucleic acid oligomer is a deoxyribonucleic acid, ribonucleic acid, a peptide nucleic acid oligomer or a nucleic acid oligomer with a structurally analogous backbone.
15.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit kovalent alternativ an eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppen oder an einen Zucker, insbesondere an eine Zucker-Hydroxy-Gruppe, des Nukleinsäure-15.) Modified nucleic acid oligomer according to any one of the preceding claims, characterized in that the catalytically redox-active unit alternatively covalently to one of the phosphoric acid, carboxylic acid or amine groups or to a sugar, in particular to a sugar-hydroxy group, the Nucleic acid-
Oligomer-Rückgrats gebunden ist.Oligomer backbone is bound.
16.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 1 - 14, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit alternativ kovalent an eine16.) Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 1-14, characterized in that the catalytically redox-active unit alternatively covalently to one
Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe einer modifizierten Base des Nukleinsäure-Oligomers angebunden ist.Thiol, hydroxy, carboxylic acid or amine group of a modified base of the nucleic acid oligomer is attached.
17.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die reaktive Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe der Base kovalent über einen verzweigten oder unverzweigten Molekülteil beliebiger17.) Modified nucleic acid oligomer according to claim 16, characterized in that the reactive thiol, hydroxy, carboxylic acid or amine group of the base covalently via a branched or unbranched part of the molecule
Zusammensetzung und Kettenlänge an die Base gebunden ist, wobei die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen der Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe und der Base ein verzweigtes oder unverzweigtes Molekülteil mit einer Kettenlänge von 1 - 20 Atomen, insbesondere von 1 - 14 Atomen, ist.Composition and chain length is bound to the base, the shortest continuous connection between the thiol, hydroxy, or carboxylic acid Amine group and the base is a branched or unbranched part of the molecule with a chain length of 1-20 atoms, in particular 1-14 atoms.
18.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit an ein Ende des Nukleinsäure-Oligomer-Rückgrats bzw. an eine endständige, modifizierte Base angebunden ist.18.) Modified nucleic acid oligomer according to one of claims 15 to 17, characterized in that the catalytically redox-active unit is attached to one end of the nucleic acid oligomer backbone or to a terminal, modified base.
19.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit nach Anbindung an das Nukleinsäure-Oligomer katalytische Aktivität besitzt.19.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that the catalytically redox-active unit has catalytic activity after binding to the nucleic acid oligomer.
20.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit nach Anbindung an das Nukleinsäure-Oligomer elektrokatalytische Aktivität besitzt.20.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that the catalytically redox-active unit has electrocatalytic activity after binding to the nucleic acid oligomer.
21.) Modifiziertes Nukleinsäure-Oligomer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere katalytisch redoxaktive Einheiten an das Nukleinsäure-Oligomer angebunden sind.21.) Modified nucleic acid oligomer according to one of the preceding claims, characterized in that several catalytically redox-active units are linked to the nucleic acid oligomer.
22.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert, dadurch gekennzeichnet, dass eine katalytisch redoxaktive Einheit kovalent an ein Nukleinsäure-Oligomer angebunden wird.22.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer as defined in one of the preceding claims, characterized in that a catalytically redox-active unit is covalently linked to a nucleic acid oligomer.
23.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch kovalente Anbindung eines oder mehrerer Elektron-Donor-Molekül(e) an ein Nukleinsäure-Oligomer angebunden wird.23.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 22, characterized in that the catalytically redox-active unit is bound to a nucleic acid oligomer by covalent attachment of one or more electron donor molecule (s).
24.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch Zugabe von einem oder mehreren Elektron-Akzeptor-Molekül(en) und/oder einem oder mehreren Makromolekülen und/oder einem oder mehreren Proteinen vervollständigt wird.24.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 23, characterized in that the catalytically redox-active unit by adding one or more electron acceptor molecule (s) and / or one or more macromolecules and / or one or more Proteins is completed.
25.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch kovalente Anbindung eines oder mehrerer Elektron-Akzeptor-Molekül(e) an ein Nukleinsäure-Oligomer angebunden wird.25.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 22, characterized in that the catalytically redox-active unit is bound to a nucleic acid oligomer by covalent attachment of one or more electron acceptor molecules.
26.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach26.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to
Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch Zugabe von einem oder mehreren Elektron-Donor-Molekül(en) und/oder einem oder mehreren Makromolekülen und/oder einem oder mehreren Proteinen vervollständigt wird.Claim 25, characterized in that the catalytically redox-active unit is completed by adding one or more electron donor molecule (s) and / or one or more macromolecules and / or one or more proteins.
27.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch kovalente Anbindung eines oder mehrerer Makromoleküle an ein27.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 22, characterized in that the catalytically redox-active unit by covalently attaching one or more macromolecules to one
Nukleinsäure-Oligomer angebunden wird.Nucleic acid oligomer is attached.
28.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach28.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to
Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch Zugabe von einem oder mehreren Elektron-Akzeptor-Molekül(en) und/oder einem oder mehreren Elektron-Donor-Molekül(en), einem oder mehrerenClaim 27, characterized in that the catalytically redox-active unit by adding one or more electron acceptor molecule (s) and / or one or more electron donor molecule (s), one or more
Makromolekülen vervollständigt wird.Macromolecules is completed.
29.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch kovalente Anbindung eines oder mehrerer Proteine an ein Nukleinsäure- Oligomer angebunden wird.29.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 22, characterized in that the catalytically redox-active unit is linked to a nucleic acid oligomer by covalent attachment of one or more proteins.
30.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach30.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to
Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytisch redoxaktive Einheit durch Zugabe von einem oder mehreren Elektron-Akzeptor-Molekül(en) und/oder einem oder mehreren Elektron-Donor-Molekül(en) und/oder einem oder mehreren Makromolekülen vervollständigt wird.Claim 29, characterized in that the catalytically redox-active unit is completed by adding one or more electron acceptor molecule (s) and / or one or more electron donor molecule (s) and / or one or more macromolecules.
31.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Nukleinsäure- Oligomer alternativ durch eine oder mehrere Amidbildungen mit Amin- oder mit Säure-Gruppen der katalytisch redoxaktiven Einheit, durch eine oder mehrere Esterbildungen mit Alkohol- oder mit Säure-Gruppen der katalytisch redoxaktiven31.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to one of claims 22 to 30, characterized in that the nucleic acid oligomer alternatively by one or more amide formations with amine or with acid groups of the catalytically redox-active unit, by one or more Ester formation with alcohol or with acid groups of the catalytically redox-active
Einheit, durch Thioesterbildung mit Thio-Alkohol- oder mit Säure-Gruppen der katalytisch redoxaktiven Einheit bzw. durch Kondensation einer oder mehrerer Amin-Gruppen des Nukleinsäure-Oligomers mit Aldehyd-Gruppen der katalytisch redoxaktiven Einheit und anschließender Reduktion der entstandenen Kohlenstoff- Stickstoff-Doppelbindung an die katalytisch redoxaktive Einheit gebunden wird.Unit, by thioester formation with thio-alcohol or with acid groups of the catalytically redox-active unit or by condensation of one or more amine groups of the nucleic acid oligomer with aldehyde groups of the catalytically redox-active unit and subsequent reduction of the resulting carbon-nitrogen double bond is bound to the catalytically redox-active unit.
32.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach einem der Ansprüche 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass an die katalytisch redoxaktive Einheit kovalent eine oder mehrere verzweigte oder unverzweigte32.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to one of claims 22 to 30, characterized in that one or more branched or unbranched covalently to the catalytically redox-active unit
Molekülteile beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge angebunden ist und die verzweigten oder unverzweigten Molekülteile alternativ eine reaktive Amin-, Hydroxy-, Thiol-, Säure- oder Aldehyd-Gruppe zur kovalenten Anbindung an ein Nukleinsäure-Oligomer besitzen.Molecular parts of any composition and chain length is attached and the branched or unbranched molecular parts alternatively have a reactive amine, hydroxy, thiol, acid or aldehyde group for covalent attachment to a nucleic acid oligomer.
33.) Verfahren zur Herstellung eines modifizierten Nukleinsäure-Oligomers nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen dem Nukleinsäure-Oligomer und der katalytisch redoxaktiven Einheit ein verzweigtes oder unverzweigtes Molekülteil mit einer Kettenlänge von 1 - 20 Atomen, insbesondere von 1 - 14 Atomen, ist.33.) Method for producing a modified nucleic acid oligomer according to claim 32, characterized in that the shortest continuous connection between the nucleic acid oligomer and the catalytically redox-active unit is a branched or unbranched part of the molecule with a chain length of 1-20 atoms, in particular of 1 - 14 atoms, is.
34.) Modifizierte leitfähige Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Arten von modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21 an eine leitfähige Oberfläche angebunden sind.34.) Modified conductive surface, characterized in that one or more types of modified nucleic acid oligomers according to one of claims 1 to 21 are bound to a conductive surface.
35.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche aus einem Metall oder einer Metallegierung besteht, insbesondere einem Metall ausgewählt aus der Gruppe Platin, Palladium, Gold,35.) Modified conductive surface according to claim 34, characterized in that the surface consists of a metal or a metal alloy, in particular a metal selected from the group platinum, palladium, gold,
Cadmium, Quecksilber, Nickel, Zink, Kohlenstoff, Silber, Kupfer, Eisen, Blei,Cadmium, mercury, nickel, zinc, carbon, silver, copper, iron, lead,
Aluminium, Mangan und deren Mischungen.Aluminum, manganese and their mixtures.
36.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche aus einem Halbleiter besteht, insbesondere einem Halbleiter ausgewählt aus der Gruppe Kohlenstoff, Silizium, Germanium und -Zinn.36.) Modified conductive surface according to claim 34, characterized in that the surface consists of a semiconductor, in particular a semiconductor selected from the group of carbon, silicon, germanium and tin.
37.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche aus einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 14 und 16, einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 13 und 15, einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 15 und 16, oder einer binären Verbindung der Elemente der Gruppen 11 und 17 besteht, insbesondere aus einem Cu(l)-Halogenid oder einem Ag(l)-Halogenid. 37.) Modified conductive surface according to claim 34, characterized in that the surface consists of a binary connection of the elements of groups 14 and 16, a binary connection of the elements of groups 13 and 15, a binary connection of the elements of groups 15 and 16, or a binary compound of the elements of groups 11 and 17, in particular of a Cu (l) halide or an Ag (l) halide.
38.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche aus einer temären Verbindung der Elemente der Gruppen 11 , 13 und 16 oder einer ternären Verbindung Elemente der Gruppen 12, 13 und 16 besteht.38.) Modified conductive surface according to claim 34, characterized in that the surface consists of a temporary connection of the elements of groups 11, 13 and 16 or a ternary connection of elements of groups 12, 13 and 16.
39.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 34 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindung der modifizierten Nukleinsäure-Oligomere an die leitfähige Oberfläche kovalent oder durch Chemi- bzw. Physisorption erfolgt.39.) Modified conductive surface according to claims 34 to 38, characterized in that the connection of the modified nucleic acid oligomers to the conductive surface is carried out covalently or by chemical or physisorption.
40.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ eine der Phosphorsäure-, Carbonsäure-, Amin- oder eine Zucker-Gruppe, insbesondere eine Zucker-Hydroxy-Gruppe, des40.) Modified conductive surface according to one of claims 34 to 39, characterized in that alternatively one of the phosphoric acid, carboxylic acid, amine or a sugar group, in particular a sugar-hydroxy group, the
Nukleinsäure-Oligomer-Rückgrats kovalent oder durch Chemi- bzw. Physisorption an die leitfähige Oberfläche angebunden ist.Nucleic acid oligomer backbone is bound covalently or by chemical or physical sorption to the conductive surface.
41.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach einem der Ansprüche 34 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ eine Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin- Gruppe einer modifizierten Base des Nukleinsäure-Oligomers kovalent oder durch41.) Modified conductive surface according to one of claims 34 to 39, characterized in that alternatively a thiol, hydroxy, carboxylic acid or amine group of a modified base of the nucleic acid oligomer covalently or by
Chemi- bzw. Physisorption an die leitfähige Oberfläche angebunden ist.Chemical or physisorption is bound to the conductive surface.
42.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 40 oder 41 , dadurch gekennzeichnet, dass das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer über eine Gruppe am Ende des Nukleinsäure-Oligomer-Rückgrats bzw. über eine Gruppe einer endständigen, modifizierten Base an die leitfähige Oberfläche gebunden ist.42.) Modified conductive surface according to claims 40 or 41, characterized in that the modified nucleic acid oligomer is bonded to the conductive surface via a group at the end of the nucleic acid oligomer backbone or via a group of a terminal, modified base.
43.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 34 bis 42, dadurch gekennzeichnet, dass an die leitfähige Oberfläche verzweigte oder unverzweigte43.) Modified conductive surface according to claims 34 to 42, characterized in that branched or unbranched on the conductive surface
Molekülteile beliebiger Zusammensetzung und Kettenlänge kovalent oder durchMolecular parts of any composition and chain length covalently or through
Chemi- bzw. Physisorption angebunden sind und die modifizierten Nukleinsäure- Oligomere kovalent an diese Molekülteile angebunden sind.Chemi- or physisorption are attached and the modified nucleic acid oligomers are covalently attached to these parts of the molecule.
44.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass die kürzeste durchgehende Verbindung zwischen der leitfähigen Oberfläche und dem Nukleinsäure-Oligomer ein verzweigtes oder unverzweigtes Molekülteil mit einer Kettenlänge von 1 - 20 Atomen, insbesondere von 1 - 12 Atomen, ist.44.) Modified conductive surface according to claim 43, characterized in that the shortest continuous connection between the conductive surface and the nucleic acid oligomer is a branched or unbranched part of the molecule with a chain length of 1 to 20 atoms, in particular 1 to 12 atoms.
45.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach den Ansprüchen 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass der verzweigte oder unverzweigte Molekülteil alternativ an eine Phosphorsäure-, Carbonsäure-, eine Amin- oder eine Zucker-Gruppe, insbesondere eine Zucker-Hydroxy-Gruppe, des Nukleinsäure-Oligomer-Rückgrats oder eine Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe einer modifizierten Base des Nukleinsäure-Oligomers angebunden ist.45.) Modified conductive surface according to claims 43 or 44, characterized in that the branched or unbranched part of the molecule alternatively to a phosphoric acid, carboxylic acid, an amine or a sugar group, in particular a sugar-hydroxyl group of the nucleic acid oligomer backbone or a thiol, hydroxyl, carboxylic acid or amine group of a modified base of the nucleic acid oligomer is attached.
46.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach Anspruch 45, dadurch gekennzeichnet, dass der verzweigte oder unverzweigte Molekülteil an eine Phosphorsäure-,46.) Modified conductive surface according to claim 45, characterized in that the branched or unbranched part of the molecule to a phosphoric acid,
Zucker-Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe am Ende des Nukleinsäure-Sugar hydroxy, carboxylic acid or amine group at the end of the nucleic acid
Oligomer-Rückgrats bzw. eine Thiol-, Hydroxy-, Carbonsäure- oder Amin-Gruppe einer endständigen, modifizierten Base gebunden ist.Oligomer backbone or a thiol, hydroxy, carboxylic acid or amine group of a terminal, modified base is bound.
47.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach einem der Ansprüche 34 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils überwiegend eine Art von modifizierten47.) Modified conductive surface according to one of claims 34 to 46, characterized in that in each case predominantly one type of modified
Nukleinsäure-Oligomeren in einem räumlich begrenzten Bereich der leitfähigen Oberfläche angebunden ist.Nucleic acid oligomers is bound in a spatially limited area of the conductive surface.
48.) Modifizierte leitfähige Oberfläche nach einem der Ansprüche 34 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ausschließlich eine Art von modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren in einem räumlich begrenzten Bereich der leitfähigen48.) Modified conductive surface according to one of claims 34 to 46, characterized in that in each case only one type of modified nucleic acid oligomers in a spatially limited area of the conductive
Oberfläche angebunden ist.Surface is attached.
49.) Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche wie in den Ansprüchen 34 bis 48 definiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Arten von modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren auf eine leitfähige Oberfläche aufgebracht werden.49.) Method for producing a modified conductive surface as defined in claims 34 to 48, characterized in that one or more types of modified nucleic acid oligomers are applied to a conductive surface.
50.) Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche wie in den50.) Process for producing a modified conductive surface as in the
Ansprüchen 34 bis 48 definiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrereClaims 34 to 48 defined, characterized in that one or more
Arten von Nukleinsäure-Oligomeren auf eine leitfähige Oberfläche aufgebracht werden und anschließend eine Modifikation der Nukleinsäure-Oligomere durch ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 22 bis 33 durchgeführt wird.Types of nucleic acid oligomers are applied to a conductive surface and then a modification of the nucleic acid oligomers is carried out by a method according to claims 22 to 33.
51.) Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach51.) Process for producing a modified conductive surface according to
Anspruch 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleinsäure-Oligomere oder die modifizierten Nukleinsäure-Oligomere mit dem dazu jeweils komplementären Nukleinsäure-Oligomerstrang hybridisiert werden und in Form des Doppelstranghybrids auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht werden.Claim 49 or 50, characterized in that the nucleic acid oligomers or the modified nucleic acid oligomers are hybridized with the complementary nucleic acid oligomer strand in each case and are applied to the conductive surface in the form of the double strand hybrid.
52.) Verfahren zur Herstellung einer modifizierten leitfähigen Oberfläche nach den Ansprüchen 49 oder 50, dadurch gekennzeichnet, dass das Nukleinsäure- Oligomer oder das modifizierte Nukleinsäure-Oligomer in Gegenwart von weiteren chemischen Verbindungen, die ebenfalls an die leitfähige Oberfläche angebunden werden, auf die leitfähige Oberfläche aufgebracht wird.52.) Method for producing a modified conductive surface according to claims 49 or 50, characterized in that the nucleic acid Oligomer or the modified nucleic acid oligomer is applied to the conductive surface in the presence of further chemical compounds, which are also bound to the conductive surface.
53.) Verfahren zur elektrochemischen Detektion von Oligomer- Hybridisierungsereignissen, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere modifizierte leitfähige Oberflächen, wie in den Ansprüchen 34 bis 48 definiert, mit Nukleinsäure-Oligomeren in Kontakt gebracht werden und anschließend eine Detektion der elektrischen Kommunikation zwischen der katalytisch redoxaktiven Einheit und der jeweiligen leitfähigen Oberfläche erfolgt.53.) Method for the electrochemical detection of oligomer hybridization events, characterized in that one or more modified conductive surfaces, as defined in claims 34 to 48, are brought into contact with nucleic acid oligomers and then a detection of the electrical communication between the catalytic redox-active unit and the respective conductive surface.
54.) Verfahren nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion cyclovoltametrisch, amperometrisch, potentiometrisch oder durch Leitfähigkeitsmessung erfolgt.54.) Method according to claim 53, characterized in that the detection is carried out cyclovoltametric, amperometric, potentiometric or by conductivity measurement.
55.) Verfahren zur elektrochemischen Detektion nach den Ansprüchen 53 oder 54, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrochemische Detektion durch Zugabe eines Substrats zu der über ein Nukleinsäure-Oligomer an die leitfähige Oberfläche angebundenen katalytisch redoxaktive Einheit gestartet wird.55.) Method for electrochemical detection according to claims 53 or 54, characterized in that the electrochemical detection is started by adding a substrate to the catalytically redox-active unit bound to the conductive surface via a nucleic acid oligomer.
56.) Verfahren nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe des56.) Method according to claim 55, characterized in that the addition of
Substrats zu der über ein Nukleinsäure-Oligomer an die leitfähige Oberfläche angebundenen katalytisch redoxaktive Einheit auf einen Bereich der leitfähigen Oberfläche mit einer oder mehreren modifizierten Nukleinsäure-Oligomeren-Arten begrenzt wird.Substrate to which the catalytically redox-active unit bound to the conductive surface via a nucleic acid oligomer is limited to a region of the conductive surface with one or more modified nucleic acid oligomer types.
57.) Verfahren nach Anspruch 55 oder 56, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einie freie, nicht an ein Nukleinsäure-Oligomer gebundene, aber mit dem Nukleinsäure-Oligomer in Kontakt stehende, redoxaktive Substanz ist und bei einem Potential φ selektiv oxidierbar und reduzierbar ist, wobei das Potential der57.) Method according to claim 55 or 56, characterized in that the substrate is a free redox-active substance which is not bound to a nucleic acid oligomer but is in contact with the nucleic acid oligomer and is selectively oxidizable and reducible at a potential φ , the potential of
Bedingung 2,0 V > φ > - 2,0 V, gemessen gegen Normalwasserstoffelektrode, genügt. Condition 2.0 V> φ> - 2.0 V, measured against a normal hydrogen electrode, is sufficient.
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