WO2003048757A1 - Method for detecting positioning and assaying of biological molecules separated on a surface, by measuring an electrical property or effect - Google Patents

Method for detecting positioning and assaying of biological molecules separated on a surface, by measuring an electrical property or effect Download PDF

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WO2003048757A1
WO2003048757A1 PCT/FR2002/004136 FR0204136W WO03048757A1 WO 2003048757 A1 WO2003048757 A1 WO 2003048757A1 FR 0204136 W FR0204136 W FR 0204136W WO 03048757 A1 WO03048757 A1 WO 03048757A1
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WO
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support
probe
surface potential
potential
measurement
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PCT/FR2002/004136
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French (fr)
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René BENNES
Dalila Chenivesse
Jacques Bonnet
Cathy Guasch
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
Association Francaise Contre Les Myopathies
Universite De Montpellier Ii
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/002Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
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    • G01N27/44704Details; Accessories
    • G01N27/44717Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones
    • G01N27/4473Arrangements for investigating the separated zones, e.g. localising zones by electric means

Definitions

  • the subject of the present invention is a method for detecting and quantifying biological molecules and a device for implementing such a method.
  • This dispersion can for example be carried out by hybridization on the appropriate receptors (DNA chips) or by migration assisted by an electric field (electrophoresis carried out on crosslinked gels and followed or not by transfers to the surface of conductive or insulating, porous or waterproof supports) .
  • the molecules thus dispersed are placed in the presence of colored or fluorescent developers or markers which allow their detection by means of optical methods, or radioactive markers detected by radiation sensors.
  • the revealing or marking products are varied, each of them having specific advantages and disadvantages, from the point of view of their effectiveness (sensitivity variable according to the nature of the proteins), their toxicity towards the experimenters or towards the environment, their influence on the subsequent analysis of samples, their adaptation to the performance of quantitative analyzes, or their cost.
  • 2D gels make it possible to visualize the expression of proteins according to the tissues concerned, the cellular localization (membrane, cytoplasm, etc.), the state of development, the pathology if any, or the therapeutic treatment in progress.
  • 2D gels could make it possible to determine the level of expression of each protein of interest, if the analysis techniques made it possible to quantify each protein precisely.
  • the applicant has endeavored to develop a method for detecting a biological molecule present on a support which has an increased detection sensitivity, compared to the methods of the prior art and which allows quantification. more precise of the biological molecule detected, in particular due to the absence of saturation effect of the detector when said biological molecule is present in large quantity.
  • the carbon skeleton of proteins already presents, because of its chemical structure, a chain of dipoles, those of the peptide bond -CO-NH-.
  • the other charges can be carried by certain side chains such as for example the -OH dipole on the serine, threonine and tyrosine residues; net positive charges are carried by the arginine and lysine residues, in an acid medium; glutamate and aspartate residues carry negative charges in basic medium.
  • the resulting dipole moment can be calculated, according to the method described in the document available on the internet at the following address: http: //bioin-formatics.weizmann. ac.il/dipol/dipint.html.
  • the measurement of the variation of the surface potential at the air-solution interface uses a vibrating electrode of 1 to 2 cm 2 which integrates the electrical properties over a large surface (Davies et al., 1963).
  • nucleic acids also constitute charged biological molecules with a dipole moment.
  • the present invention relates to a method for detecting and quantifying at least one optionally labeled biological molecule (such as a protein, a peptide, a DNA, an RNA, etc.) in a sample comprising a step of spatial dispersion, of the electrophoresis type, of said at least one molecule on a support, characterized in that it comprises (i) a step of measuring the surface potential of said support, at each surface point of said support, using at least a probe.
  • the support on which the biological molecule (s) are spatially dispersed consists of a support of the acrylamide gel type.
  • the method in accordance with the invention has the particular advantage of reducing the type of nuisance - solvents etc. - mentioned above, and reducing its cost due to its automation, by detecting without revealing physical effects intrinsic to the tasks (spots) of biological molecules (proteins, peptides, nucleic acids on membranes, gels and transfer plates by direct measurement of the surface potential.
  • biological molecules proteins, peptides, nucleic acids on membranes, gels and transfer plates by direct measurement of the surface potential.
  • it is no longer necessary to mark biological molecules which avoids the use of radioactive labeling (with 32 P for phosphorylated derivatives) or labeling using fluorescent probes
  • the method according to the invention makes it possible to avoid the use of intermediate products, such as solvents.
  • the above method makes it possible to directly detect and quantify one or more biological molecules previously dispersed on a support, thanks to the direct measurement of the surface potential, created by each cluster of molecules (spot), by each dipole and each electrical charge of the cluster. It also makes it possible to overcome at least part of using detergents and in some cases avoiding any staining step.
  • the cost is considerably lowered by simply eliminating consumables and by reducing working time in the least automatable part of the study of the proteome.
  • the problem of locating a spot cluster of biological molecules for the purpose of automatic excision, before proteolysis and sequencing for example, is completely resolved by the surface potential mapping techniques developed in the context of the invention.
  • the acquisition of an image is carried out according to a matrix, by relative displacement of the sample with respect to the measurement probe.
  • the X and Y coordinates of each surface point of the support for which a measurement of the surface potential is carried out, as well as the measurement of the surface potential at said surface point can be stored, for example in the memory of a digital computer.
  • the memory of the digital computer can be loaded by a program containing the instructions allowing the creation of an image, called 3D, whose X and Y coordinates represent the X and Y coordinates of each surface point of the support for which a measurement surface potential has been performed, and if necessary previously stored, and whose Z coordinates represent the value of the surface potential at said surface point. It is therefore possible to reposition, facing the measuring electrode, or facing a sampling tool, any surface point, of the support for which a detection and quantification measurement has been carried out previously.
  • the need to digitize the image is also eliminated, for example by scanning in order to archive it, since the mapping technique implemented in the method according to the invention generates a representation of the measurements in a three-dimensional system, for example in the form of a 3D image representation.
  • Quantification is difficult with staining techniques since, on the one hand, for example in the same gel, the action of a dye varies from one protein to another, and on the other hand, in gels to compare, and for the same protein, the coloring depends on many parameters such as the impregnation or revelation time.
  • the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is marked with a detectable marker (fluorescent or radioactive).
  • the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is not labeled.
  • the value of the surface potential measured at each point on the surface of the support analyzed in accordance with the method of the invention can result from one or more physicochemical conditions, among those indicated below:
  • the value of the surface potential corresponds to a primary physico-chemical interaction with a marker carried either by the molecule itself, or by the probe.
  • the value of the surface potential corresponds to a side effect of the hydrophilic / hydrophobic reaction type of the molecule.
  • the surface on which the molecule is deposited is functionalized and the probe optimized.
  • the method comprises an additional step of transferring the biological molecule onto a second electrically conductive support prior to step (i) of measuring the surface potential.
  • said second support is preferably a membrane wettable with water, such as a cellulose or nitrocellulose membrane impregnated with an electrolyte solution or a graphite membrane.
  • the probe used for implementing the method is a Kelvin probe or vibrating capacitor.
  • the vibration of the probe is produced by a motor of the electromagnetic loudspeaker type or by a piezoelectric element, such as embedded vibrating beam or pellet.
  • it comprises an additional step of transferring the biological molecule onto a second porous non-electrically conductive support, prior to step (i) of measuring the surface potential.
  • said second non-conductive support is preferably a porous nylon membrane.
  • the measurement of the surface potential is automated and controlled by computer.
  • the method of the invention further comprises steps consisting in storing, processing the cartographic data obtained and in comparing these data by computer with profiles obtained from other samples of biological molecules.
  • the support and the probe are implanted in an enclosure with hygrometry and controlled atmosphere.
  • the method of the invention advantageously comprises a measurement calibration step, said calibration step comprising the following steps: (a) depositing a marker, such as colloidal gold, on said support, whereby only the fraction where a deposition of the molecule was carried out fixes said marker, the complementary fraction of the support being naked; (b) place the support opposite the probe so that the surface facing the probe has not undergone any deposition and measure a first surface potential corresponding to the absence of a biological molecule, then place the support vis-à-vis the probe so that the surface facing the probe is fully marked, measure a second surface potential corresponding to the maximum quantity of biological molecules.
  • a marker such as colloidal gold
  • the present invention also relates to a device for implementing the method of the invention of the type comprising: - a means for spatial addressing of said at least one biological molecule on said first support,
  • a means of zoom effect a means of measuring said quantity relating to an electrical property carried by the biological molecule, a means of automatic acquisition and processing of the measurements, and a means of coupling to a system direct debit.
  • the present invention also relates to a device for implementing the method of detection and quantification of a biological molecule described above, characterized in that it comprises:
  • a sinusoidal current generator (24) for applying a sinusoidal potential difference V of frequency f, the frequency f and the frequency f being chosen with sufficiently different values to be able to be easily separated by synchronous detections.
  • said device also comprises means allowing the displacement of the probe (22) opposite any point on the surface of the support (24).
  • the present invention relates to the localization and the dosage of biological molecules by measuring an electrical effect carried by these sorted molecules by means of a suitable process (grafting or electric field by example) according to a line, column or plan.
  • this invention is related to the emerging field of proteomics and transcriptome which involves the identification and characterization of proteins present in biological samples. It therefore finds applications in the fields of characterization of animal or vegetable proteins, diagnosis of diseases or their prevention, medical prognosis, analysis of the effect of therapies, including genetic modifications.
  • Figure 1 shows a block diagram of the method of measuring surface potential by vibrating capacitor. 10 electric current meter
  • FIG. 3 shows the block diagram of the electronic assembly
  • Figure 4 shows examples of graphical representation of the results
  • Fig. 4A 3-dimensional representation of a protein spot, the two horizontal axes representing the x and y coordinates of the measurement points, and the vertical axis the surface potential detected by the Kelvin method.
  • the protein spot appears in hollow.
  • Fig. 4B same image as in 4A, projected in the horizontal plane representing the coordinates of the measurement points.
  • the color code used represents the value of the surface potential.
  • the protein spot appears dark on a light background.
  • Fig. 4C section through the same spot of proteins represented in 4-a and 4-b.
  • the amplitude of the variation in surface potential (vertical coordinate) makes it possible to precisely characterize the quantity of proteins present in this spot.
  • Figure 5 transfer to a nylon type membrane stained with colloidal gold, optically scanned without image processing. The halos are due to residual wetting by PBS.
  • Figure 6 acrylamide gel stained with Coomassie blue, optically scanned without image processing.
  • Figure 7 image recorded by the vibrating capacitor technique, representing the surface potential of the proteins transferred onto nylon-type support, after coloration with colloidal gold.
  • FIGS. 8A and 8C representation of the values of the surface potential during the scanning of lines 40 and 145, resulting from the gel of FIG. 7, also reproduced in FIG. 8B.
  • the present invention relates to a method for detecting a quantitative electrical effect carried by molecules of biological origin previously separated on a surface, as well as on the associated apparatus.
  • the electrical effects can manifest individually for each biological molecule, or collectively for a set of identical biological molecules.
  • a.1) supports The supports (14) on which electrical effects can be demonstrated must have a dispersion of the biological molecules on a surface.
  • the position of the biological molecule (s) is representative of its (their) nature.
  • a.2) support support The support (14) is held facing the probe (22) on a support block so that the position of the biological molecules deposited on the surface can be identified, along a line (x coordinate) , along a flat (xy coordinate), or complex (xyz coordinate) surface.
  • the support block must support the support, maintain its hydration and transmit the signals necessary for the operation of the detection system.
  • Environment and observation environment Hygrometry, temperature, atmosphere and ambient light can be parameters of the experiment which it is necessary to control (32)
  • a.4) Principle of the method The method applies to the detection and determination of electrical effects carried by biological molecules or by markers which have been attached to them.
  • the contrasts observed during a topographic scan of the surface by a measurement probe may be due to a local change in the electronic affinity of the material, a local change in the concentration of electrical charges, or a local change in moments. dipolar.
  • the surface potential measurement device is based on the principle of the Kelvin vibrating capacitor: the measurement probe (22) and the surface of the support (14) of the molecule placed opposite it constitute a planar capacitor with capacity C. If a potential difference (-E0) is applied externally to the terminals of this capacitor, the capacitor charges under the potential difference Vcp-EO where if q is the charge of the electron, qVcp represents the difference between the energy required to extract an electron from the support and the energy required to extract an electron from the surface of the measurement probe.
  • the measurement of E0 provides the value of Vcp.
  • the method is a method of measuring zero. It does not disturb the support, since under the conditions of the measurement, the latter is crossed by a zero electric current, that the electric field between electrodes is also zero and that the measurement is made without contact between the probe and the support .
  • the size of the probe is adapted to the area covered by the dispersed molecules.
  • Zoom effect A zoom effect can be obtained by modifying the spacing between the measurement points, up to the maximum resolution allowed by the diameter of the measurement probe. As it is possible to manage the positioning of the support relative to the probe thanks to the scanning system, this zoom effect can be improved by the use of several probes of different diameters. It is thus possible to carry out a rough mapping of the location and to follow it with a finer mapping of one or more selected regions. . a.8) Realization of the probe
  • the vibrating element (20) of the measurement probe (22) can use different technologies. Microelectronics techniques can be applied to produce the probe when its size is reduced. a.9) Distance from probe to support
  • the probe-support distance z is kept constant by means of a servo. a.10) Mapping
  • mapping of the measurements of the electrical effect carried by the biological molecule is carried out by acquiring the value of the electrical potential when the probe-support distance is maintained at its set value. a.11) Travel
  • the relative displacement of the probe with respect to the support can be carried out using a cross-motion table (50, 52, 54). a.12) Steering
  • the control of the cross-motion table is carried out using a computer equipped with suitable cards.
  • the software allows you to choose the coordinates of the starting point of a line, the length of a line, the number of measurement points per line, the number of lines and the spacing between the lines. It also allows to choose the speed of mechanical movement between two points as well as the time allocated to the measurement at each point.
  • the lines can be scanned alternately or always in the same direction. In this last option, the line feed scanning must be fast so as not to excessively increase the acquisition time of an image. a.13) Acquisition
  • the magnitude of the electrical effect is displayed at each measurement point, in the form of a curve whose abscissa axis represents the position of the measurement point, and the ordinate represents the measured quantity.
  • the display of the results is in the form of a three-dimensional image in shades of gray or in false colors, representing the physical quantity measured at each point of the surface.
  • An example of the visualization of the results is given in Figures 4. This visualization allows a direct comparison with the result of a conventional staining, if necessary. a.15) Processing
  • the system is equipped with computerized image processing which allows the choice of the image color palette, the choice of a color saturation threshold, the choice of color contrast, as well as the processing of raw data (interpolations or statistical processing ).
  • the support being mobile, it is possible to manage its positioning in relation to the position of the probe or in relation to any other fixed point. After the cartographic survey and its interpretation, it is thus possible, for example, to position any selected point in front of a sampling system.
  • the molecules removed will be characterized by additional analyzes.
  • Example of support in the case of the separation of protein molecules In order to apply the method of the present invention, a biological sample is subjected to a preparation in which the proteins are separated along two axes corresponding to two of their physicochemical properties. This is for example the case encountered in the 2D electrophoresis process carried out on acrylamide gels. The proteins can then be partially transferred to the surface of a porous insulating support and their presence revealed by means of the marker constituted by colloidal gold.
  • the support block must mechanically maintain the support and allow its hydration. It must also transmit the signals necessary for the electrical operation of the assembly. It is therefore conductive and isolated from the ground. It is made in the form of a tank (30) and constitutes a reserve of hydration liquid. At the bottom of the tank is deposited a conductive plastic foam (38) on which the support thus polarized and hydrated by capillarity rests.
  • a conductive plastic foam 38) on which the support thus polarized and hydrated by capillarity rests.
  • Figure 2 are shown the reference support frame (28), an insulator (34), a mechanical connection (36), actuation motors of the table X, Y, Z respectively (40, 42, 46) and a bracket (48).
  • the electrical energy required to collect an electron from the surface of a material depends on the chemical nature of that material. It is therefore different depending on whether it is measured on the surface of the bare support or on the surface of the support covered with a marker, such as gold.
  • the difference in electrical energy results in a difference in electrical potential which can be measured without contact using a probe having an area.
  • the potential measured takes an intermediate value between that measured on the bare support and that measured on a layer of gold complete, in proportion to the areas concerned (Bonnet et al., 1984). The measured value changes in proportion to the coverage rate.
  • the probe thus performs a quantitative measurement.
  • Measurement of the surface potential are detailed in paragraph a.5 above.
  • the measurement of the surface potential is carried out relative to the surface potential of the measurement probe. Different materials can be chosen. To guide this choice, we are particularly attentive to the electrical stability of the material. b.7) Realization of the vibrating probe
  • the vibration is generated by an electromagnetic loudspeaker motor, or by a piezoelectric element (embedded vibrating beam or pellet).
  • b.8) Distance between probe and support The accuracy of the measurement and the reduction of the effect of electrical noise require that the current i detected in the absence of servo-control be as large as possible. For this, the inter-electrode distance z (26) must be as small as possible. Typically, it is of the order of a few hundred micrometers. So that this distance is kept constant during the movement of the support whose surface is to be analyzed in front of the probe, the apparatus is equipped with a servo-control of the distance z between electrodes (Bonnet et al., 1977).
  • the surface potential measuring electrode is also used as a distance sensor.
  • the values of the frequencies f and f are chosen sufficiently different to be able to be easily separated by synchronous detections.
  • the vibrating measurement probe which is guided by a frictionless translation system (44) has its distance smoothly regulated smoothly thanks to the use of a solenoid. and a suspended plunger core.
  • This system provides a translation of 2 mm. Larger displacement amplitudes can be obtained using a rotary motor actuating the micromanipulator tray.
  • This system is activated automatically by the control electronics when the fine compensation system is outside its operating limits. This can happen when the surface of the support is not parallel to that of the reference plane and when the surface of the support is not planar. It is thus possible to work on large supports that are not perfectly flat.
  • Another effect of the distance control is to allow measurement in noisy surroundings.
  • b.9 Starting a cartography
  • the servo-control of the inter-electrode distance, using the two complementary mechanical control systems, is also used to carry out the automatic approach of the probe during the start-up phase of a cartographic survey.
  • b.10) Displacement of the support
  • Our system therefore performs a relative displacement of the probe (22) relative to the support (14).
  • the probe is kept fixed, and the surface of the support is moved opposite the probe thanks to an XY table with crossed movements (50, 52) whose piloting is managed by a computer. It is thus possible to determine the coordinates of the starting point and the number of measurement points.
  • the computer manages the acquisition of the measurement of the potential of the surface facing the probe.
  • the computer manages the distance of the probe before the return and then its repositioning in ideal measurement conditions when the return has been made.
  • the scanning is stopped, the probe is moved away to remove the liquid meniscus which forms between it and the support, then it is again approached in the measurement position before the scanning does not resume.
  • a window shows the potential variations noted during scanning of a line, as a function of the abscissa of the measurement point. This line can be compared to that noted during the previous scan, which was stored and displayed in another window.
  • a window displays, in gray tones, a plan view of the potential variations on the surface as a function of the X and Y coordinates of the point.
  • the files are saved in an ASCII format.
  • the images are then subject to the usual processing using conventional point matrix processing software.
  • non-contact measuring devices of the surface electrical potential are used to map the distribution and the quantity of molecules of biological origin separated by an adapted process.
  • a one- or two-dimensional dispersion is produced on the surface of a support.
  • the method according to the invention provides a digital mapping representative of the identity and abundance of the biomolecules detected on the surface of the one- or two-dimensional network.
  • This mapping allows qualitative and quantitative analysis, data storage and processing, including computer comparison of profiles provided by other biological samples.
  • Non-contact measurements of the surface electrical potential can be automated and controlled by computer. They constitute an interesting alternative to conventional optical or nuclear detection methods. They present a complementarity to these methods by highlighting other physical properties, and by allowing the use of other measurement conditions which could be better adapted to the molecules to be detected. They allow quantitative measurements to be made with great sensitivity.
  • the techniques operate at room temperature, and / or in a controlled atmosphere.
  • the measurement probe can be coupled to a robotic sampling arm.
  • the measurement can be made using a suitable Kelvin vibrating capacitor.
  • the invention can make it possible to work on different supports, with different developers or markers, or even on undisclosed gels.
  • the lateral scale in gray tones translates the value of the potential measured at each point. Passing through a minimum potential value corresponds to the darkest tones.
  • the curves represented in FIGS. 8A and 8C represent the values of the potential recorded during the scanning of lines 40 and 145 of the electrophoresis gel of FIG. 8B, respectively. As the reminder lines show, the low levels reached, which are different on minima A and B, reveal the quantitative aspect of the characterization.
  • the data concerning the variations of the surface potential can easily be processed numerically to increase the contrasts and / or to reveal additional information hitherto embedded in a continuous background, for example the region C of FIG. 8A.
  • This technique can be extended to different supports and different colors, even to non-colored transfers. It could be adapted to measurements on acrylamide gels, which would avoid transfers and allow the automated punching out of detected spots.
  • the approach according to the invention gives a more detailed account of the phenomenon, since one can distinguish substructures.
  • the analysis of substructures can usefully provide information on the presence of several proteins under a spot and therefore lead to a higher quality of discrimination between two extremely neighboring proteins,

Abstract

The invention concerns a method for detecting and quantifying at least an optionally marked biological molecule in a sample, comprising a step of eletrophoretic spatial dispersion of at least a molecule on a support, characterized in that it comprises (i) a step which consists in measuring the surface potential of said support, in each surface point of said support, using at least a probe.

Description

Détection positionnement et dosage de molécules biologiques séparées sur une surface, en utilisant la mesure d'une propriété ou effet électrique Positioning and dosing detection of separate biological molecules on a surface, using the measurement of an electrical property or effect
La présente invention a pour objet une méthode de détection et de quantification de molécules biologiques et un dispositif pour la mise en oeuvre d'une telle méthode. ART ANTERIEURThe subject of the present invention is a method for detecting and quantifying biological molecules and a device for implementing such a method. PRIOR ART
Ces dernières années, des progrès majeurs ont été réalisés en génétique moléculaire et en particulier dans les techniques de séquençage des acides nucléiques et celles permettant de révéler les transcrits d'ARNm et leurs produits de traduction, dans une cellule ou un tissu donné.In recent years, major advances have been made in molecular genetics and in particular in nucleic acid sequencing techniques and those making it possible to reveal mRNA transcripts and their translation products, in a given cell or tissue.
Ces techniques nécessitent la mise en place de procédés de dispersion spatiale des molécules biologiques selon une ligne ou un plan, selon leurs propriétés physico-chimiques. Cette dispersion peut par exemple être réalisée par hybridation sur les récepteurs appropriés (puces ADN) ou par migration assistée par un champ électrique (électrophorèses effectuées sur des gels réticulés et suivies ou non de transferts en surface de supports conducteurs ou isolants, poreux ou étanches).These techniques require the implementation of processes for the spatial dispersion of biological molecules along a line or a plane, according to their physico-chemical properties. This dispersion can for example be carried out by hybridization on the appropriate receptors (DNA chips) or by migration assisted by an electric field (electrophoresis carried out on crosslinked gels and followed or not by transfers to the surface of conductive or insulating, porous or waterproof supports) .
Usuellement, les molécules ainsi dispersées sont mises en présence de révélateurs ou marqueurs colorés ou fluorescents qui permettent leur détection au moyen de procédés optiques, ou de marqueurs radioactifs détectés par des capteurs de radiations. Les produits révélateurs ou marqueurs sont variés, chacun d'entre eux présentant des avantages et des inconvénients spécifiques, du point de vue de leur efficacité (sensibilité variable selon la nature des protéines), de leur toxicité envers les expérimentateurs ou envers l'environnement, de leur influence sur l'analyse postérieure de prélèvements, de leur adaptation à la réalisation d'analyses quantitatives, ou de leur coût.Usually, the molecules thus dispersed are placed in the presence of colored or fluorescent developers or markers which allow their detection by means of optical methods, or radioactive markers detected by radiation sensors. The revealing or marking products are varied, each of them having specific advantages and disadvantages, from the point of view of their effectiveness (sensitivity variable according to the nature of the proteins), their toxicity towards the experimenters or towards the environment, their influence on the subsequent analysis of samples, their adaptation to the performance of quantitative analyzes, or their cost.
On connaît ainsi des techniques de visualisation de protéines, de peptides, ou de fragments d'ADN séparés sur gels d'électrophorèse (acrylamide, agarose, etc..) ou sur d'autres supports (membranes de cellulose, après transfert sur membrane de nitrocellulose ou de nylon, sur des plaques de mica, de silice ou de silicium, etc..) qui constituent des techniques de marquage visuel (coloration des protéines ou des peptides au rouge ponceau, au bleu de Coomassie, à l'amidoblack, à l'argent, à l'or ou par marquage à l'aide de sondes fluorescentes ou impression de films photographiques pour les protéines marquées à l'aide d'éléments radioactifs tels que 32P, 35S et...). Ce type d'approche est lié à l'historique de la biologie qui privilégiait une observation directe des images. Cependant, la mise en œuvre de ces outils de visualisation est lourde puisque la majorité des colorants utilisés nécessite l'utilisation de solvants toxiques (méthanol, butanol, isopropanol,...) qui risquent, à terme, d'être bannis des laboratoires parce qu'ils entraînent des risques pour la santé et l'environnement important. Il en va de même de certains produits chimiques utilisés.Techniques for the visualization of proteins, peptides, or separate DNA fragments are thus known on electrophoresis gels (acrylamide, agarose, etc.) or on other supports (cellulose membranes, after transfer to membrane of nitrocellulose or nylon, on mica, silica or silicon plates, etc.) which constitute visual marking techniques (coloring of proteins or peptides with culvert red, Coomassie blue, amidoblack, silver, gold or by labeling with fluorescent probes or printing of photographic films for proteins labeled with radioactive elements such as 32 P, 35 S and ...). This type of approach is linked to the history of biology, which favored direct observation of the images. However, the implementation of these visualization tools is cumbersome since the majority of the dyes used requires the use of toxic solvents (methanol, butanol, isopropanol, ...) which risk, in the long term, being banned from laboratories because that they involve significant risks to health and the environment. The same is true of certain chemicals used.
De plus, la qualité du résultat final dépend du protocole de coloration utilisé, de la fraîcheur des réactifs et de l'expertise du technicien. Actuellement, les gels d'électrophorèse, en particulier les gels 2D (=deux dimensions, masse moléculaire/point isoélectrique) sont employés comme technique de base dans l'étude du protéome. Il s'agit de séparer, de caractériser, puis d'identifier les protéines d'intérêt contenues initialement dans un échantillon (biopsie, culture cellulaire,...). L'enjeu technique est considérable, l'étude du protéome permettant d'accéder plus directement à la physiologie réelle d'une cellule, en particulier aux régulations métaboliques fines dans lesquelles sont impliquées des interactions multiples protéine- protéine, après celle du génome (identification des gènes) et celle du transcriptome (puces d'ADN, identification des ARN messagers). Les gels 2D précités permettent de visualiser l'expression des protéines selon les tissus concernés, la localisation cellulaire (membrane, cytoplasme...), l'état de développement, la pathologie s'il y a lieu ou le traitement thérapeutique en cours. De plus, les gels 2D pourraient permettre de déterminer le taux d'expression de chaque protéine d'intérêt, si les techniques d'analyse rendaient possible la quantification de chaque protéine de manière précise.In addition, the quality of the final result depends on the staining protocol used, the freshness of the reagents and the expertise of the technician. Currently, electrophoresis gels, in particular 2D gels (= two dimensions, molecular mass / isoelectric point) are used as a basic technique in the study of the proteome. This involves separating, characterizing, and then identifying the proteins of interest initially contained in a sample (biopsy, cell culture, etc.). The technical challenge is considerable, the study of the proteome allowing more direct access to the real physiology of a cell, in particular to the fine metabolic regulations in which multiple protein-protein interactions are involved, after that of the genome (identification genes) and that of the transcriptome (DNA chips, identification of messenger RNAs). The aforementioned 2D gels make it possible to visualize the expression of proteins according to the tissues concerned, the cellular localization (membrane, cytoplasm, etc.), the state of development, the pathology if any, or the therapeutic treatment in progress. In addition, 2D gels could make it possible to determine the level of expression of each protein of interest, if the analysis techniques made it possible to quantify each protein precisely.
En effet, on sait que le stade d'évolution ou la sévérité de certaines pathologies sont en rapport avec le taux de production d'une ou plusieurs protéines spécifiques. Les techniques actuelles sont consommatrices de temps et de produits chimiques divers (solvants organiques, colorants, sels détergents...). D'autre part, ces techniques sont toutes du ressort d'un système de coloration des protéines (amido-blue, bleu de Coomassie, révélation à l'argent, à l'or colloïdal, utilisation de fluorochromes) qui utilise le plus souvent l'affinité du colorant pour des structures agrégées protéine-détergent (sodium dodécylsulfate=SDS/protéine). Par ailleurs certaines protéines échappent à la coloration qui elle-même est quasiment non quantifiable.In fact, we know that the stage of development or the severity of certain pathologies is related to the rate of production of one or more specific proteins. Current techniques consume time and various chemicals (organic solvents, dyes, detergent salts, etc.). On the other hand, these techniques are all the responsibility of a protein coloring system (amido-blue, Coomassie blue, revelation with silver, colloidal gold, use of fluorochromes) which most often uses l affinity of the dye for aggregated protein-detergent structures (sodium = dodecyl sulfate SDS / protein). In addition, certain proteins escape coloring which itself is almost non-quantifiable.
Au vu de l'art antérieur, les présents inventeurs ont identifié le besoin d'une méthode de détection et de quantification de molécules biologiques qui permette notamment d'atteindre les objectifs suivants :In view of the prior art, the present inventors have identified the need for a method for detecting and quantifying biological molecules which in particular makes it possible to achieve the following objectives:
- Rendre la détection de protéines/peptides plus quantitative.- Make the detection of proteins / peptides more quantitative.
- S'affranchir des techniques de coloration de gels ou de membranes et donc réduire l'utilisation des solvants.- Overcome gels or membranes coloring techniques and therefore reduce the use of solvents.
- S'affranchir du marquage des peptides (au 32P pour les dérivés phosphorylés ou à l'aide de sondes fluorescentes)- Overcome the labeling of peptides (at 32 P for phosphorylated derivatives or using fluorescent probes)
- Détecter des protéines/peptides qui n'auraient pas réagi avec le colorant.- Detect proteins / peptides which would not have reacted with the dye.
- Supprimer la nécessité de digitaliser l'image par scanner pour l'archiver. - Repérer une tâche sur un gel (« spot ») à des fins d'excision automatique avant protéolyse et séquençage.- Eliminate the need to digitize the image by scanner to archive it. - Spot a task on a gel (“spot”) for automatic excision before proteolysis and sequencing.
En conséquence, le demandeur s'est attaché à mettre au point un procédé de détection d'une molécule biologique présente sur un support qui possède une sensibilité de détection accrue, par rapport aux procédés de l'état de la technique et qui permette une quantification plus précise de la molécule biologique détectée, en particulier du fait de l'absence d'effet de saturation du détecteur lorsque ladite molécule biologique est présente en grande quantité.Consequently, the applicant has endeavored to develop a method for detecting a biological molecule present on a support which has an increased detection sensitivity, compared to the methods of the prior art and which allows quantification. more precise of the biological molecule detected, in particular due to the absence of saturation effect of the detector when said biological molecule is present in large quantity.
Les problèmes techniques ci-dessus ont été résolus selon l'invention, grâce à un procédé de détection et de quantification d'au moins une molécule biologique, ledit procédé utilisant les propriétés dipolaires de cette molécule biologique.The above technical problems have been solved according to the invention, thanks to a method for detecting and quantifying at least one biological molecule, said method using the dipolar properties of this biological molecule.
Le squelette carboné des protéines présente déjà, du fait de sa structure chimique, un enchaînement de dipôles, ceux de la liaison peptidique -CO-NH-. Les autres charges peuvent être portées par certaines chaînes latérales comme par exemple le dipôle -OH sur les résidus serine, threonine et tyrosine ; des charges positives nettes sont portées par les résidus arginine et lysine, en milieu acide ; les résidus glutamate et aspartate portent des charges négatives en milieu basique. Le moment dipolaire résultant peut être calculé, selon la méthode décrite dans le document accessible sur internet à l'adresse suivante :http://bioin-formatics.weizmann. ac.il/dipol/dipint.html. La contribution de ces charges ou dipôles au potentiel de surface a quelques fois été étudiée après adsorption ou étalement de ces protéines ou de ces peptides à la surface d'une solution aqueuse conductrice. On peut citer des études sur la mélittine (Wacker bauer et al., 1996), la gramicidine (Heitz et al., 1989), la polyalanine, la polyLproline (Isemura et al., 1959), etc..The carbon skeleton of proteins already presents, because of its chemical structure, a chain of dipoles, those of the peptide bond -CO-NH-. The other charges can be carried by certain side chains such as for example the -OH dipole on the serine, threonine and tyrosine residues; net positive charges are carried by the arginine and lysine residues, in an acid medium; glutamate and aspartate residues carry negative charges in basic medium. The resulting dipole moment can be calculated, according to the method described in the document available on the internet at the following address: http: //bioin-formatics.weizmann. ac.il/dipol/dipint.html. The contribution of these charges or dipoles to the surface potential has sometimes been studied after adsorption or spreading of these proteins or peptides on the surface of a conductive aqueous solution. We can cite studies on melittin (Wacker bauer et al., 1996), gramicidin (Heitz et al., 1989), polyalanine, polyLproline (Isemura et al., 1959), etc.
Dans ces cas, la mesure de la variation du potentiel de surface à l'interface air-solution utilise une électrode vibrante de 1 à 2 cm2 qui intègre les propriétés électriques sur une grande surface (Davies et al., 1963).In these cases, the measurement of the variation of the surface potential at the air-solution interface uses a vibrating electrode of 1 to 2 cm 2 which integrates the electrical properties over a large surface (Davies et al., 1963).
Comme les protéines, les acides nucléiques constituent aussi des molécules biologiques chargées présentant un moment dipolaire.Like proteins, nucleic acids also constitute charged biological molecules with a dipole moment.
La présente invention concerne une méthode de détection et de quantification d'au moins une molécule biologique éventuellement marquée (telle qu'une protéine, un peptide, un ADN, un ARN...) dans un échantillon comportant une étape de dispersion spatiale, du type électrophorèse, de ladite au moins une molécule sur un support, caractérisée en ce qu'elle comporte (i) une étape de mesure du potentiel de surface dudit support, en chaque point de surface dudit support, à l'aide d'au moins une sonde. Avantageusement, le support sur lequel la ou les molécules biologiques sont spatialement dispersées consiste en un support du type gel d'acrylamide.The present invention relates to a method for detecting and quantifying at least one optionally labeled biological molecule (such as a protein, a peptide, a DNA, an RNA, etc.) in a sample comprising a step of spatial dispersion, of the electrophoresis type, of said at least one molecule on a support, characterized in that it comprises (i) a step of measuring the surface potential of said support, at each surface point of said support, using at least a probe. Advantageously, the support on which the biological molecule (s) are spatially dispersed consists of a support of the acrylamide gel type.
Lorsque les molécules sont repérables par un effet électrique, la méthode conforme à l'invention présente notamment l'avantage de réduire le type de nuisances - solvants etc.- citées ci-dessus, et de réduire son coût du fait de son automatisation, en détectant sans révélation des effets physiques intrinsèques aux tâches (spots) de molécules biologiques (protéines, peptides, acides nucléiques sur les membranes, les gels et les plaques de transfert par mesure directe du potentiel de surface. En outre, il n'est plus nécessaire de marquer les molécules biologiques, ce qui évite le recours au marquage radioactif (au 32P pour les dérivés phosphorylés) ou encore les marquages à l'aide de sondes fluorescentesWhen the molecules can be identified by an electrical effect, the method in accordance with the invention has the particular advantage of reducing the type of nuisance - solvents etc. - mentioned above, and reducing its cost due to its automation, by detecting without revealing physical effects intrinsic to the tasks (spots) of biological molecules (proteins, peptides, nucleic acids on membranes, gels and transfer plates by direct measurement of the surface potential. In addition, it is no longer necessary to mark biological molecules, which avoids the use of radioactive labeling (with 32 P for phosphorylated derivatives) or labeling using fluorescent probes
Le procédé selon l'invention permet d'éviter l'utilisation de produits intermédiaires, tels que solvants. Le procédé ci-dessus permet de détecter et quantifier directement une ou plusieurs molécules biologiques préalablement dispersées sur un support, grâce à la mesure directe du potentiel de surface, créé par chaque amas de molécules (spot), par chaque dipôle et chaque charge électrique de l'amas. Elle permet également de s'affranchir au moins en partie de l'utilisation de détergents et, dans certains cas éviter toute étape de coloration.The method according to the invention makes it possible to avoid the use of intermediate products, such as solvents. The above method makes it possible to directly detect and quantify one or more biological molecules previously dispersed on a support, thanks to the direct measurement of the surface potential, created by each cluster of molecules (spot), by each dipole and each electrical charge of the cluster. It also makes it possible to overcome at least part of using detergents and in some cases avoiding any staining step.
Le coût est considérablement abaissé par simple élimination de consommables et par diminution du temps de travail dans la partie la moins automatisable de l'étude du protéome.The cost is considerably lowered by simply eliminating consumables and by reducing working time in the least automatable part of the study of the proteome.
Au moment de l'étape de séparation, ou dispersion des molécules biologiques ou postérieurement à celle-ci, il n'est plus nécessaire de procéder à un repérage des amas ou spots par coloration à l'argent par exemple, au bleu, ou, après transfert sur membrane, à l'or colloïdal. D'autre part, le problème du repérage d'un amas spot de molécules biologiques à des fins d'excision automatique, avant protéolyse et séquençage par exemple, est totalement résolu par les techniques de cartographie du potentiel de surface mises au point dans le cadre de l'invention. L'acquisition d'une image est réalisée selon une matrice, par déplacement relatif de l'échantillon par rapport à la sonde de mesure. Les coordonnées X et Y de chaque point de surface du support pour lequel une mesure du potentiel de surface est effectuée, ainsi que la mesure du potentiel de surface audit point de surface peuvent être mémorisés, par exemple dans la mémoire d'un ordinateur numérique. La mémoire de l'ordinateur numérique peut être chargée par un programme contenant les instructions permettant la création d'une image, dite 3D, dont les coordonnées X et Y représentent les coordonnées X et Y de chaque point de surface du support pour lequel une mesure du potentiel de surface a été effectuée, et le cas échéant préalablement mis en mémoire, et dont les coordonnées Z représentent la valeur du potentiel de surface audit point de surface. Il est donc possible de repositionner, face à l'électrode de mesure, ou face à un outil de prélèvement, tout point de surface, du support pour lequel une mesure de détection et de quantification a été réalisée antérieurement.At the time of the separation step, or dispersion of the biological molecules or afterwards, it is no longer necessary to identify the clusters or spots by coloring with silver, for example, blue, or, after transfer on membrane, with colloidal gold. On the other hand, the problem of locating a spot cluster of biological molecules for the purpose of automatic excision, before proteolysis and sequencing for example, is completely resolved by the surface potential mapping techniques developed in the context of the invention. The acquisition of an image is carried out according to a matrix, by relative displacement of the sample with respect to the measurement probe. The X and Y coordinates of each surface point of the support for which a measurement of the surface potential is carried out, as well as the measurement of the surface potential at said surface point can be stored, for example in the memory of a digital computer. The memory of the digital computer can be loaded by a program containing the instructions allowing the creation of an image, called 3D, whose X and Y coordinates represent the X and Y coordinates of each surface point of the support for which a measurement surface potential has been performed, and if necessary previously stored, and whose Z coordinates represent the value of the surface potential at said surface point. It is therefore possible to reposition, facing the measuring electrode, or facing a sampling tool, any surface point, of the support for which a detection and quantification measurement has been carried out previously.
Grâce au procédé de l'invention, on supprime aussi la nécessité de digitaliser l'image, par exemple, par scanner en vue de l'archiver, puisque la technique de cartographie mise en œuvre dans la méthode selon l'invention génère une représentation des mesures dans un système à trois dimensions, par exemple sous la forme d'une représentation d'image 3D.Thanks to the method of the invention, the need to digitize the image is also eliminated, for example by scanning in order to archive it, since the mapping technique implemented in the method according to the invention generates a representation of the measurements in a three-dimensional system, for example in the form of a 3D image representation.
La détection à l'aide d'une sonde Kelvin est parfaitement maîtrisée dans un laboratoire par un personnel normalement qualifié et l'appareil est capable de résister à une atmosphère de laboratoire. Outre les inconvénients rappelés des techniques de l'art antérieur citées ci-dessus, celles-ci conduisent rarement à des résultats quantifiables.Detection using a Kelvin probe is perfectly mastered in a laboratory by normally qualified personnel and the device is capable of withstanding a laboratory atmosphere. In addition to the drawbacks recalled from the techniques of the prior art cited above, these rarely lead to quantifiable results.
La quantification est difficile avec les techniques de coloration puisque, d'une part, par exemple dans un même gel, l'action d'un colorant varie d'une protéine à l'autre, et d'autre part, dans des gels à comparer, et pour une même protéine, la coloration dépend de nombreux paramètres tels que le temps d'imprégnation ou de révélation.Quantification is difficult with staining techniques since, on the one hand, for example in the same gel, the action of a dye varies from one protein to another, and on the other hand, in gels to compare, and for the same protein, the coloring depends on many parameters such as the impregnation or revelation time.
Selon un premier mode de réalisation du procédé, la molécule biologique ou l'ion complexe de même squelette carboné qu'elle peut former en solution est marqué par un marqueur détectable (fluorescent ou radioactif).According to a first embodiment of the method, the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is marked with a detectable marker (fluorescent or radioactive).
Selon un second mode de réalisation du procédé, la molécule biologique ou l'ion complexe de même squelette carboné qu'elle peut former en solution n'est pas marqué.According to a second embodiment of the method, the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is not labeled.
La valeur du potentiel de surface mesuré en chaque point de la surface du support analysé conformément au procédé de l'invention peut résulter d'une ou de plusieurs conditions physico-chimiques, parmi celles indiquées ci- dessous :The value of the surface potential measured at each point on the surface of the support analyzed in accordance with the method of the invention can result from one or more physicochemical conditions, among those indicated below:
- la molécule biologique ou l'ion complexe de même squelette carboné qu'elle peut former en solution est marqué et la valeur du potentiel de surface résulte d'une affinité électronique différente entre les molécules du marqueur et leur environnement ;- the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is marked and the value of the surface potential results from a different electronic affinity between the molecules of the marker and their environment;
- la molécule biologique ou l'ion complexe de même squelette carboné qu'elle peut former en solution n'est pas marqué et la valeur du potentiel de surface résulte du moment dipolaire ou de la densité de charges électroniques, respectivement.- the biological molecule or the complex ion with the same carbon skeleton that it can form in solution is not marked and the value of the surface potential results from the dipole moment or from the density of electronic charges, respectively.
- la valeur du potentiel de surface correspond à une interaction primaire physico-chimique avec un marqueur porté soit par la molécule elle-même, soit par la sonde.- the value of the surface potential corresponds to a primary physico-chemical interaction with a marker carried either by the molecule itself, or by the probe.
- la valeur du potentiel de surface correspond à un effet secondaire du type réaction hydrophile/hydrophobe de la molécule.- The value of the surface potential corresponds to a side effect of the hydrophilic / hydrophobic reaction type of the molecule.
Avantageusement, la surface sur laquelle est déposée la molécule est fonctionnalisée et la sonde optimisée.Advantageously, the surface on which the molecule is deposited is functionalized and the probe optimized.
Dans un mode de réalisation particulier du procédé, celui-ci comprend une étape additionnelle de transfert de la molécule biologique sur un deuxième support conducteur d'électricité préalable à l'étape (i) de mesure du potentiel de surface. Dans cet autre mode de réalisation, ledit deuxième support est préfèrentiellement une membrane mouillable à l'eau, telle qu'une membrane de cellulose ou de nitrocellulose imprégnée d'une solution d'électrolytes ou une membrane de graphite. De préférence, la sonde utilisée pour la mise en œuvre du procédé est une sonde Kelvin ou condensateur vibrant.In a particular embodiment of the method, it comprises an additional step of transferring the biological molecule onto a second electrically conductive support prior to step (i) of measuring the surface potential. In this other embodiment, said second support is preferably a membrane wettable with water, such as a cellulose or nitrocellulose membrane impregnated with an electrolyte solution or a graphite membrane. Preferably, the probe used for implementing the method is a Kelvin probe or vibrating capacitor.
Préfèrentiellement, la vibration de la sonde est produite par un moteur de type haut-parleur électromagnétique ou par un élément piézo-électrique, tel que poutre vibrante encastrée ou pastille. Dans un autre mode de réalisation du procédé, celui-ci comprend une étape additionnelle de transfert de la molécule biologique sur un deuxième support non conducteur d'électricité, poreux, préalable à l'étape (i) de mesure du potentiel de surface.Preferably, the vibration of the probe is produced by a motor of the electromagnetic loudspeaker type or by a piezoelectric element, such as embedded vibrating beam or pellet. In another embodiment of the method, it comprises an additional step of transferring the biological molecule onto a second porous non-electrically conductive support, prior to step (i) of measuring the surface potential.
Dans cet autre mode de réalisation, ledit deuxième support non conducteur d'électricité est préfèrentiellement une membrane de nylon poreuse.In this other embodiment, said second non-conductive support is preferably a porous nylon membrane.
Dans un mode de réalisation préféré du procédé, la mesure du potentiel de surface est automatisée et contrôlée par ordinateur.In a preferred embodiment of the method, the measurement of the surface potential is automated and controlled by computer.
Avantageusement, la méthode de l'invention comporte en outre des étapes consistant à stocker, traiter les données cartographiques obtenues et à comparer par ordinateur ces données à des profils obtenus à partir d'autres échantillons de molécules biologiques.Advantageously, the method of the invention further comprises steps consisting in storing, processing the cartographic data obtained and in comparing these data by computer with profiles obtained from other samples of biological molecules.
Selon une caractéristique avantageuse de la méthode, le support et la sonde sont implantés dans une enceinte à hygrométrie et atmosphère contrôlée.According to an advantageous characteristic of the method, the support and the probe are implanted in an enclosure with hygrometry and controlled atmosphere.
Préalablement à l'étape (i) de mesure du potentiel de surface en tout point de la surface du support, la méthode de l'invention comprend avantageusement une étape d'étalonnage de la mesure, ladite étape d'étalonnage comprenant les étapes suivantes : (a) déposer un marqueur, tel que l'or colloïdal, sur ledit support, ce par quoi seule la fraction où a été effectué un dépôt de la molécule fixe ledit marqueur, la fraction complémentaire du support se trouvant nue ; (b) placer le support vis-à-vis de la sonde de telle sorte que la surface en regard de la sonde n'ait subi aucun dépôt et mesurer un premier potentiel de surface correspondant à l'absence de molécule biologique, puis placer le support vis-à- vis de la sonde de telle sorte que la surface en regard de la sonde soit entièrement marquée, mesurer un second potentiel de surface correspondant à la quantité maximale de molécules biologiques.Prior to step (i) of measuring the surface potential at any point on the surface of the support, the method of the invention advantageously comprises a measurement calibration step, said calibration step comprising the following steps: (a) depositing a marker, such as colloidal gold, on said support, whereby only the fraction where a deposition of the molecule was carried out fixes said marker, the complementary fraction of the support being naked; (b) place the support opposite the probe so that the surface facing the probe has not undergone any deposition and measure a first surface potential corresponding to the absence of a biological molecule, then place the support vis-à-vis the probe so that the surface facing the probe is fully marked, measure a second surface potential corresponding to the maximum quantity of biological molecules.
La présente invention a encore pour objet un dispositif pour la mise en œuvre de la méthode de l'invention du type comportant : - un moyen d'adressage spatial de ladite au moins une molécule biologique sur ledit premier support,The present invention also relates to a device for implementing the method of the invention of the type comprising: - a means for spatial addressing of said at least one biological molecule on said first support,
- un moyen mécanique permettant l'approche automatique de la sonde et son maintien à distance constante de la surface du premier support,a mechanical means allowing the automatic approach of the probe and its maintenance at constant distance from the surface of the first support,
- un bloc-support dudit premier support, hydratant et conducteur - une sonde Kelvin, des moyens d'asservissements électroniques de potentiel, de distance et d'approche automatique,- a support block for said first support, moisturizing and conductive - a Kelvin probe, means for electronic control of potential, distance and automatic approach,
-un moyen d'effet de zoom, un moyen de mesure de ladite grandeur se rapportant à une propriété électrique portée par la molécule biologique, - un moyen d'acquisition automatique et de traitement des mesures, et - un moyen de couplage à un système de prélèvement automatique.a means of zoom effect, a means of measuring said quantity relating to an electrical property carried by the biological molecule, a means of automatic acquisition and processing of the measurements, and a means of coupling to a system direct debit.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en œuvre de la méthode de détection et de quantification d'une molécule biologique décrite ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte :The present invention also relates to a device for implementing the method of detection and quantification of a biological molecule described above, characterized in that it comprises:
- un support (24) à la surface duquel sont immobilisées des molécules biologiques ;- a support (24) on the surface of which biological molecules are immobilized;
- une sonde (22) située à une distance z (26) de la surface du support (14) ;- a probe (22) located at a distance z (26) from the surface of the support (14);
- un moteur (20) provoquant la variation sinusoïdale, de la valeur de la distance z à la fréquence f; - un générateur de courant continu (16) pour appliquer une différence de potentiel V entre la sonde (21) et le support (14) ;- a motor (20) causing the sinusoidal variation, of the value of the distance z at the frequency f; - a direct current generator (16) for applying a potential difference V between the probe (21) and the support (14);
- un générateur de courant sinusoïdal (24) pour appliquer une différence de potentiel V sinusoïdale de fréquence f , la fréquence f et la fréquence f étant choisies de valeurs suffisamment différentes pour pouvoir être aisément séparées par des détections synchrones.- a sinusoidal current generator (24) for applying a sinusoidal potential difference V of frequency f, the frequency f and the frequency f being chosen with sufficiently different values to be able to be easily separated by synchronous detections.
Avantageusement, ledit dispositif comprend aussi des moyens permettant le déplacement de la sonde (22) en regard de tout point de surface du support (24).Advantageously, said device also comprises means allowing the displacement of the probe (22) opposite any point on the surface of the support (24).
Ainsi la présente invention a trait à la localisation et au dosage de molécules biologiques par mesure d'un effet électrique porté par ces molécules triées au moyen d'un processus adapté (greffage ou champ électrique par exemple) selon une ligne, une colonne ou un plan. En particulier, cette invention est en relation avec le champ émergent de la proteomique et du transcriptome qui met en jeu l'identification et la caractérisation des protéines présentes dans les échantillons biologiques. Elle trouve donc des applications dans les domaines de la caractérisation des protéines animales ou végétales, du diagnostic des maladies ou de leur prévention, du pronostic médical, de l'analyse de l'effet des thérapies, y compris des modifications génétiques.Thus the present invention relates to the localization and the dosage of biological molecules by measuring an electrical effect carried by these sorted molecules by means of a suitable process (grafting or electric field by example) according to a line, column or plan. In particular, this invention is related to the emerging field of proteomics and transcriptome which involves the identification and characterization of proteins present in biological samples. It therefore finds applications in the fields of characterization of animal or vegetable proteins, diagnosis of diseases or their prevention, medical prognosis, analysis of the effect of therapies, including genetic modifications.
On va maintenant décrire de manière détaillée les objets, caractéristiques et avantages de la présente invention à l'aide d'exemples de réalisation et en référence aux dessins annexés dans lesquelsWe will now describe in detail the objects, characteristics and advantages of the present invention with the aid of exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawings in which
La Figure 1 représente un schéma de principe de la méthode de mesure du potentiel de surface par condensateur vibrant. 10 appareil de mesure de l'intensité électriqueFigure 1 shows a block diagram of the method of measuring surface potential by vibrating capacitor. 10 electric current meter
14 support à la surface duquel est mesuré un potentiel de surface, après éventuel transfert sur membrane de la ou des molécules préalablement séparées par exemple sur un gel.14 support on the surface of which a surface potential is measured, after possible transfer onto the membrane of the molecule or molecules previously separated, for example onto a gel.
16 Générateur de tension continue. 22 Sonde de mesure.16 DC voltage generator. 22 Measuring probe.
20 Moteur provoquant la variation sinusoïdale de la distance z entre la surface du support (14) et la sonde (22) à la pulsation ω.20 Motor causing the sinusoidal variation of the distance z between the surface of the support (14) and the probe (22) at the pulsation ω.
24 Générateur de tension sinusoïdal à la pulsation ω'. 26 distance inter-électrodes, de valeur z. La Figure 2 représente le schéma mécanique du dispositif. 28 Bâtis support de référence. 30 Cuve porte supports, réservoir de liquide24 Pulse sinusoidal voltage generator ω '. 26 inter-electrode distance, of value z. Figure 2 shows the mechanical diagram of the device. 28 Reference support frames. 30 Support tank, liquid tank
32 Enceinte à hygrométrie contrôlée 14 Support. 34 Isolant.32 Enclosure with controlled humidity 14 Support. 34 Insulation.
36 liaison mécanique. 38 Mousse plastique conductrice.36 mechanical connection. 38 Conductive plastic foam.
40 Moteur d'actionnement de la table X. 42 Moteur d'actionnement de la table Y.40 Motor for actuation of table X. 42 Motor for actuation of table Y.
20 Moteur provoquant la variation sinusoïdale de la distance z entre la surface du support (14) et la sonde (22). 44 système mécanique de translation sans frottement et moteur de translation à noyau plongeur 46 Moteur d'actionnement de la table Z.20 Motor causing the sinusoidal variation of the distance z between the surface of the support (14) and the probe (22). 44 mechanical frictionless travel system and drive motor with plunger 46 Z table actuation motor.
48 Potence.48 Stem.
22 Sonde de mesure.22 Measuring probe.
50 Table de déplacement selon l'axe des abscisses X. 52 Table de déplacement selon l'axe des ordonnées Y.50 Displacement table along the x-axis X. 52 Displacement table along the y-axis.
26 distance z entre la surface du support (14) et la sonde (22).26 distance z between the surface of the support (14) and the probe (22).
54 Table de déplacement vertical du bloc mobile portant la sonde (22).54 Table for vertical displacement of the mobile unit carrying the probe (22).
La Figure 3 représente le schéma synoptique du montage électroniqueFigure 3 shows the block diagram of the electronic assembly
14 support. 40 Moteur d'actionnement de la table X.14 support. 40 Table X actuation motor.
42 Moteur d'actionnement de la table Y.42 Table actuation motor Y.
20 Moteur provoquant la variation sinusoïdale de la distance Z.20 Motor causing the sinusoidal variation of the distance Z.
44 système mécanique de translation sans frottement et moteur de translation à noyau plongeur. 46 Moteur d'actionnement de la table Z.44 mechanical frictionless translation system and translation motor with plunger core. 46 Z table actuation motor.
22 Sonde de mesure.22 Measuring probe.
La Figure 4 représente des exemples de représentation graphique des résultatsFigure 4 shows examples of graphical representation of the results
Fig. 4A: représentation en 3 dimensions d'un spot de protéines, les deux axes horizontaux représentant les coordonnées x et y des points de mesure, et l'axe vertical le potentiel de surface détecté par la méthode de Kelvin. Le spot de protéines apparaît en creux.Fig. 4A: 3-dimensional representation of a protein spot, the two horizontal axes representing the x and y coordinates of the measurement points, and the vertical axis the surface potential detected by the Kelvin method. The protein spot appears in hollow.
Fig. 4B: même image qu'en 4A, projetée dans le plan horizontal représentant les coordonnées des points de mesure. Le code de couleurs utilisé représente la valeur du potentiel de surface. Le spot de protéines apparaît en sombre sur fond clair.Fig. 4B: same image as in 4A, projected in the horizontal plane representing the coordinates of the measurement points. The color code used represents the value of the surface potential. The protein spot appears dark on a light background.
Fig. 4C: coupe à travers le même spot de protéines représenté en 4-a et 4-b. L'amplitude de la variation de potentiel de surface (coordonnée verticale) permet de caractériser précisément la quantité de protéines présentes dans ce spot.Fig. 4C: section through the same spot of proteins represented in 4-a and 4-b. The amplitude of the variation in surface potential (vertical coordinate) makes it possible to precisely characterize the quantity of proteins present in this spot.
Figure 5 : transfert sur membrane type nylon colorée à l'or colloïdal, scanné optiquement sans traitement d'image. Les auréoles sont dues à un mouillage résiduel par PBS.Figure 5: transfer to a nylon type membrane stained with colloidal gold, optically scanned without image processing. The halos are due to residual wetting by PBS.
Figure 6 : gel d'acrylamide coloré au bleu de Coomassie, scanné optiquement sans traitement d'image. Figure 7 : image relevée par la technique du condensateur vibrant, représentant le potentiel de surface des protéines transférées sur support de type nylon, après coloration à l'or colloïdal.Figure 6: acrylamide gel stained with Coomassie blue, optically scanned without image processing. Figure 7: image recorded by the vibrating capacitor technique, representing the surface potential of the proteins transferred onto nylon-type support, after coloration with colloidal gold.
Figures 8A et 8C: représentation des valeurs du potentiel de surface lors du balayage des lignes 40 et 145, issues du gel de la figure 7, reproduit aussi à la figure 8B. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTIONFIGS. 8A and 8C: representation of the values of the surface potential during the scanning of lines 40 and 145, resulting from the gel of FIG. 7, also reproduced in FIG. 8B. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention concerne un procédé de détection d'un effet électrique quantitatif porté par des molécules d'origine biologique préalablement séparées sur une surface, ainsi que sur l'appareillage associé.The present invention relates to a method for detecting a quantitative electrical effect carried by molecules of biological origin previously separated on a surface, as well as on the associated apparatus.
Les effets électriques peuvent se manifester individuellement pour chaque molécule biologique, ou collectivement pour un ensemble de molécules biologiques identiques.The electrical effects can manifest individually for each biological molecule, or collectively for a set of identical biological molecules.
Dans ce qui suit est détaillée la méthode selon l'invention dans le cas d'un gel d'électrophorese pour séparer les molécules biologiques (a), et dans le cas où ledit gel a été transféré sur une membrane de nylon (Western-Blott) et coloré à l'or colloïdal (b).In what follows, the method according to the invention is detailed in the case of an electrophoresis gel for separating the biological molecules (a), and in the case where said gel has been transferred to a nylon membrane (Western-Blott ) and stained with colloidal gold (b).
EXEMPLESEXAMPLES
Les exemples illustratifs qui suivent sont donnés en référence aux figures annexées 1 à 3 et dans la section suivante les résultats sont donnés en référence aux figures 4 à 8. a) Détection de propriétés ou effets électriques portés par les molécules biologiques a.1) supports Les supports (14) sur lesquels des effets électriques peuvent être mis en évidence doivent présenter une dispersion des molécules biologiques sur une surface. La position de la (ou des) molécule(s) biologique(s) est représentative de sa (leur) nature. a.2) maintien du support Le support (14) est maintenu face à la sonde (22) sur un bloc-support de façon à ce que la position des molécules biologiques déposées sur la surface soit repérable, suivant une ligne (coordonnée x), suivant une surface plane (coordonnée xy), ou complexe (coordonnées xyz). Le bloc-support doit supporter le support, maintenir son hydratation et transmettre les signaux nécessaires au fonctionnement du système de détection. a.3) Environnement et milieu d'observation L'hygrométrie, la température, l'atmosphère et la lumière ambiante peuvent être des paramètres de l'expérience qu'il est nécessaire de contrôler (32) a.4) Principe de la méthode La méthode s'applique à la détection et au dosage d'effets électriques portés par des molécules biologiques ou par des marqueurs qui leur ont été attachés. Les contrastes observés lors d'un balayage topographique de la surface par une sonde de mesure peuvent être dus à une modification locale de l'affinité électronique du matériau, à une modification locale de la concentration de charges électriques, ou à une modification locale de moments dipolaires.The illustrative examples which follow are given with reference to the appended figures 1 to 3 and in the following section the results are given with reference to figures 4 to 8. a) Detection of electrical properties or effects carried by biological molecules a.1) supports The supports (14) on which electrical effects can be demonstrated must have a dispersion of the biological molecules on a surface. The position of the biological molecule (s) is representative of its (their) nature. a.2) support support The support (14) is held facing the probe (22) on a support block so that the position of the biological molecules deposited on the surface can be identified, along a line (x coordinate) , along a flat (xy coordinate), or complex (xyz coordinate) surface. The support block must support the support, maintain its hydration and transmit the signals necessary for the operation of the detection system. a.3) Environment and observation environment Hygrometry, temperature, atmosphere and ambient light can be parameters of the experiment which it is necessary to control (32) a.4) Principle of the method The method applies to the detection and determination of electrical effects carried by biological molecules or by markers which have been attached to them. The contrasts observed during a topographic scan of the surface by a measurement probe may be due to a local change in the electronic affinity of the material, a local change in the concentration of electrical charges, or a local change in moments. dipolar.
a.5) Mesure d'un effet électriquea.5) Measurement of an electrical effect
Mesure du potentiel de surface L'appareillage de mesure du potentiel de surface est constitué à partir du principe du condensateur vibrant de Kelvin : la sonde de mesure (22) et la surface du support (14) de la molécule placé face à elle constituent un condensateur plan de capacité C. Si l'on applique extérieurement aux bornes de ce condensateur une différence de potentiel (-E0), le condensateur se charge sous la différence de potentiel Vcp-EO où si q est la charge de l'électron, qVcp représente la différence entre l'énergie nécessaire pour extraire un électron du support et l'énergie nécessaire pour extraire un électron de la surface de la sonde de mesure. Si l'on modifie la distance z (26) entre l'électrode de mesure et le support, en la faisant varier sinusoïdalement à la fréquence f =ω/2ïl (20), la capacité C varie et le courant i qui traverse le condensateur est donné par la relation i = (Vcp-EO) dC/dt où dC/dt représente la variation de C par rapport au temps (Bonnet et al., 1976). Dans le montage expérimental de principe de la Figure 1 , sont également illustrés l'appareil de mesure de l'intensité électrique (10) et le générateur de tension continue (16). Le principe de la mesure consiste à ajuster la valeur de E0 pour que i =Surface potential measurement The surface potential measurement device is based on the principle of the Kelvin vibrating capacitor: the measurement probe (22) and the surface of the support (14) of the molecule placed opposite it constitute a planar capacitor with capacity C. If a potential difference (-E0) is applied externally to the terminals of this capacitor, the capacitor charges under the potential difference Vcp-EO where if q is the charge of the electron, qVcp represents the difference between the energy required to extract an electron from the support and the energy required to extract an electron from the surface of the measurement probe. If the distance z (26) between the measurement electrode and the support is modified, by varying it sinusoidally at the frequency f = ω / 2ïl (20), the capacitance C varies and the current i which flows through the capacitor is given by the relation i = (Vcp-EO) dC / dt where dC / dt represents the variation of C with respect to time (Bonnet et al., 1976). In the experimental set-up in principle of Figure 1, the apparatus for measuring the electric current (10) and the DC voltage generator (16) are also illustrated. The principle of the measurement consists in adjusting the value of E0 so that i =
0. Dans ces conditions, la mesure de E0 fournit la valeur de Vcp. La méthode est une méthode de mesure de zéro. Elle ne perturbe pas le support, puisque dans les conditions de la mesure, ce dernier est traversé par un courant électrique nul, que le champ électrique inter-électrodes est lui aussi nul et que la mesure se fait sans contact entre la sonde et le support. Le montage électronique (Palau et al., 1988) réalise automatiquement la condition i = 0. a.6) Choix de la taille et de la nature de la sonde0. Under these conditions, the measurement of E0 provides the value of Vcp. The method is a method of measuring zero. It does not disturb the support, since under the conditions of the measurement, the latter is crossed by a zero electric current, that the electric field between electrodes is also zero and that the measurement is made without contact between the probe and the support . The electronic assembly (Palau et al., 1988) automatically fulfills the condition i = 0. a.6) Choice of the size and nature of the probe
La taille de la sonde est adaptée à l'aire couverte par les molécules dispersées. a.7) Effet de zoom Un effet de zoom peut être obtenu en modifiant l'espacement entre les points de mesure, jusqu'à la résolution maximale permise par le diamètre de la sonde de mesure. Comme il est possible de gérer le positionnement du support par rapport à la sonde grâce au système de balayage, cet effet de zoom peut être amélioré par l'utilisation de plusieurs sondes de diamètres différents. Il est ainsi possible d'effectuer sur le support une cartographie grossière de repérage et de la faire suivre d'une cartographie plus fine d'une ou plusieurs régions sélectionnées. . a.8) Réalisation de la sondeThe size of the probe is adapted to the area covered by the dispersed molecules. a.7) Zoom effect A zoom effect can be obtained by modifying the spacing between the measurement points, up to the maximum resolution allowed by the diameter of the measurement probe. As it is possible to manage the positioning of the support relative to the probe thanks to the scanning system, this zoom effect can be improved by the use of several probes of different diameters. It is thus possible to carry out a rough mapping of the location and to follow it with a finer mapping of one or more selected regions. . a.8) Realization of the probe
L'élément vibrant (20) de la sonde de mesure (22) peut faire appel à différentes technologies. Les techniques de microélectronique pourront être appliquées pour réaliser la sonde lorsque la taille de celle-ci est réduite. a.9) Distance sonde-supportThe vibrating element (20) of the measurement probe (22) can use different technologies. Microelectronics techniques can be applied to produce the probe when its size is reduced. a.9) Distance from probe to support
La distance sonde-support z est maintenue constante par l'intermédiaire d'un asservissement. a.10) CartographieThe probe-support distance z is kept constant by means of a servo. a.10) Mapping
La cartographie des mesures de l'effet électrique porté par la (ou les) molécule(s) biologique(s) est réalisée par acquisition de la valeur du potentiel électrique lorsque la distance sonde-support est maintenue à sa valeur de consigne. a.11) DéplacementThe mapping of the measurements of the electrical effect carried by the biological molecule (s) is carried out by acquiring the value of the electrical potential when the probe-support distance is maintained at its set value. a.11) Travel
Le déplacement relatif de la sonde vis à vis du support peut être effectué à l'aide d'une table à mouvements croisés (50, 52, 54). a.12) PilotageThe relative displacement of the probe with respect to the support can be carried out using a cross-motion table (50, 52, 54). a.12) Steering
Le pilotage de la table à mouvements croisés, est effectué à l'aide d'un ordinateur équipé de cartes adaptées. Le logiciel permet de choisir les coordonnées du point de départ d'une ligne, la longueur d'une ligne, le nombre de points de mesure par ligne, le nombre de lignes et l'espacement entre les lignes. Il permet aussi de choisir la vitesse de déplacement mécanique entre deux points ainsi que le temps attribué à la mesure en chaque point. Les lignes peuvent être balayées de façon alternée ou toujours dans le même sens. Dans cette dernière option, le balayage de retour de ligne doit être rapide pour ne pas augmenter de façon excessive le temps d'acquisition d'une image. a.13) AcquisitionThe control of the cross-motion table is carried out using a computer equipped with suitable cards. The software allows you to choose the coordinates of the starting point of a line, the length of a line, the number of measurement points per line, the number of lines and the spacing between the lines. It also allows to choose the speed of mechanical movement between two points as well as the time allocated to the measurement at each point. The lines can be scanned alternately or always in the same direction. In this last option, the line feed scanning must be fast so as not to excessively increase the acquisition time of an image. a.13) Acquisition
En chaque point de mesure, les données analogiques fournies par la sonde sont numérisées puis traitées. a.14) Affichage et visualisation des résultatsAt each measurement point, the analog data supplied by the probe is digitized and then processed. a.14) Display and display of results
Lors du relevé d'une ligne, l'importance de l'effet électrique est visualisée en chaque point de mesure, sous forme d'une courbe dont l'axe des abscisses représente la position du point de mesure, et l'ordonnée représente la grandeur mesurée.When reading a line, the magnitude of the electrical effect is displayed at each measurement point, in the form of a curve whose abscissa axis represents the position of the measurement point, and the ordinate represents the measured quantity.
A la fin du relevé cartographique, l'affichage des résultats se présente sous la forme d'une image en trois dimensions et en tons de gris ou en fausses couleurs, représentant la grandeur physique mesurée en chaque point de la surface. Un exemple de la visualisation des résultats est donné aux Figures 4. Cette visualisation permet une comparaison directe avec le résultat d'une coloration classique, si nécessaire. a.15) TraitementAt the end of the cartographic survey, the display of the results is in the form of a three-dimensional image in shades of gray or in false colors, representing the physical quantity measured at each point of the surface. An example of the visualization of the results is given in Figures 4. This visualization allows a direct comparison with the result of a conventional staining, if necessary. a.15) Processing
Le système est équipé d'un traitement informatisé des images qui permet le choix de la palette de couleurs de l'image, le choix d'un seuil de saturation des couleurs, le choix d'un contraste de couleurs, ainsi que le traitement des données brutes (interpolations ou traitements statistiques...).The system is equipped with computerized image processing which allows the choice of the image color palette, the choice of a color saturation threshold, the choice of color contrast, as well as the processing of raw data (interpolations or statistical processing ...).
Les résultats sont affichés à l'écran. Cet équipement est bien sur évolutif. a.16) Sauvegarde des mesuresThe results are displayed on the screen. This equipment is of course upgradeable. a.16) Saving of measurements
Les fichiers de mesures numérisées sont stockés selon les divers formats usuels. a.17) PrélèvementsThe digitized measurement files are stored in the various usual formats. a.17) Direct debits
Le support étant mobile, il est possible de gérer son positionnement par rapport à la position de la sonde ou par rapport à n'importe quel autre point fixe. Après le relevé cartographique et son interprétation, il est ainsi possible par exemple de positionner n'importe quel point sélectionné en face d'un système de prélèvement. Les molécules prélevées seront caractérisées par des analyses complémentaires. b) Utilisation d'un condensateur vibrant sur un gel d'électrophorese transféré b.1 ) Exemple de support dans le cas de la séparation de molécules de protéines Afin d'appliquer la méthode de la présente invention, un échantillon biologique est soumis à une préparation dans laquelle les protéines sont séparées selon deux axes correspondant à deux de leurs propriétés physicochimiques. C'est par exemple le cas rencontré dans le processus d'électrophorese 2D effectué sur des gels d'acrylamide. Les protéines peuvent alors être en partie transférées à la surface d'un support isolant poreux et leur présence révélée au moyen du marqueur constitué par de l'or colloïdal.The support being mobile, it is possible to manage its positioning in relation to the position of the probe or in relation to any other fixed point. After the cartographic survey and its interpretation, it is thus possible, for example, to position any selected point in front of a sampling system. The molecules removed will be characterized by additional analyzes. b) Use of a vibrating capacitor on a transferred electrophoresis gel b.1) Example of support in the case of the separation of protein molecules In order to apply the method of the present invention, a biological sample is subjected to a preparation in which the proteins are separated along two axes corresponding to two of their physicochemical properties. This is for example the case encountered in the 2D electrophoresis process carried out on acrylamide gels. The proteins can then be partially transferred to the surface of a porous insulating support and their presence revealed by means of the marker constituted by colloidal gold.
Finalement des atomes d'or se trouvent déposés en certains points de la surface du support, localisés en des lieux dont les coordonnées relatives sont caractéristiques des molécules biologiques présentes. b.2) le bloc-supportFinally, gold atoms are deposited at certain points on the surface of the support, located in places whose relative coordinates are characteristic of the biological molecules present. b.2) the support block
Le bloc-support doit maintenir mécaniquement le support et permettre son hydratation. Il doit aussi transmettre les signaux nécessaires au fonctionnement électrique du montage. Il est donc conducteur et isolé de la masse. Il est réalisé en forme de bac (30) et constitue une réserve en liquide d'hydratation. Au fond du bac est déposée une mousse plastique conductrice (38) sur laquelle repose le support ainsi polarisé et hydraté par capillarité. A la Figure 2, sont représentés le bâtis support de référence (28), un isolant (34), une liaison mécanique (36), des moteurs d'actionnement de la table X, Y, Z respectivement (40, 42, 46) et une potence (48). b.3) EnvironnementThe support block must mechanically maintain the support and allow its hydration. It must also transmit the signals necessary for the electrical operation of the assembly. It is therefore conductive and isolated from the ground. It is made in the form of a tank (30) and constitutes a reserve of hydration liquid. At the bottom of the tank is deposited a conductive plastic foam (38) on which the support thus polarized and hydrated by capillarity rests. In Figure 2, are shown the reference support frame (28), an insulator (34), a mechanical connection (36), actuation motors of the table X, Y, Z respectively (40, 42, 46) and a bracket (48). b.3) Environment
Afin de limiter les pertes par évaporation, par la surface du support, le support et la sonde sont implantés dans une enceinte à hygrométrie et atmosphère contrôlées (32). b.4) Principe de la méthodeIn order to limit losses by evaporation, through the surface of the support, the support and the probe are installed in an enclosure with controlled humidity and atmosphere (32). b.4) Principle of the method
L'énergie électrique nécessaire pour collecter un électron depuis la surface d'un matériau dépend de la nature chimique de ce matériau. Elle est donc différente suivant qu'on la mesure à la surface du support nu ou à la surface du support couvert d'un marqueur, tel que l'or. La différence d'énergie électrique se traduit par une différence de potentiel électrique qui peut être mesurée sans contact à l'aide d'une sonde ayant une aire. Dans le cas où la surface du support située en face de l'électrode de mesure n'est que partiellement recouverte d'or, le potentiel mesuré prend une valeur intermédiaire entre celui mesuré sur le support nu et celui relevé sur une couche d'or complète, au prorata des aires concernées (Bonnet et al., 1984). La valeur mesurée évolue proportionnellement au taux de couverture. La sonde effectue ainsi une mesure quantitative. b.5) Mesure du potentiel de surface Ces mesures sont détaillées au paragraphe a.5 ci-dessus. b.6) Choix de la sondeThe electrical energy required to collect an electron from the surface of a material depends on the chemical nature of that material. It is therefore different depending on whether it is measured on the surface of the bare support or on the surface of the support covered with a marker, such as gold. The difference in electrical energy results in a difference in electrical potential which can be measured without contact using a probe having an area. In the case where the surface of the support located in front of the measuring electrode is only partially covered with gold, the potential measured takes an intermediate value between that measured on the bare support and that measured on a layer of gold complete, in proportion to the areas concerned (Bonnet et al., 1984). The measured value changes in proportion to the coverage rate. The probe thus performs a quantitative measurement. b.5) Measurement of the surface potential These measurements are detailed in paragraph a.5 above. b.6) Choice of probe
La mesure du potentiel de la surface est effectuée relativement au potentiel de surface de la sonde de mesure. Différents matériaux peuvent être choisis. Pour guider ce choix, on est particulièrement attentif à la stabilité électrique du matériau. b.7) Réalisation de la sonde vibranteThe measurement of the surface potential is carried out relative to the surface potential of the measurement probe. Different materials can be chosen. To guide this choice, we are particularly attentive to the electrical stability of the material. b.7) Realization of the vibrating probe
La vibration est générée par un moteur de type haut-parleur électromagnétique, ou par un élément piézo-électrique (poutre vibrante encastrée ou pastille). b.8) Distance sonde - support La précision de la mesure et la réduction de l'effet des parasites électriques imposent que le courant i détecté en l'absence d'asservissement soit le plus grand possible. Pour cela, la distance inter-électrodes z (26) doit être la plus petite possible. Typiquement, elle est de l'ordre de quelques centaines de micromètres. Afin que cette distance soit maintenue constante lors du déplacement de support dont la surface est à analyser en face de la sonde, l'appareillage est équipé d'un asservissement de la distance z inter-électrodes (Bonnet et al., 1977). Pour effectuer cet asservissement, l'électrode de mesure du potentiel de surface est également utilisée comme capteur de distance. On alimente le condensateur de capacité C par une tension V sinusoïdale de fréquence f=ω'/2π (24) différente de la fréquence de vibration f, et on mesure à cette fréquence un courant i = CdV'/dt, d'amplitude proportionnelle à la capacité C et donc inversement proportionnelle à la distance z .The vibration is generated by an electromagnetic loudspeaker motor, or by a piezoelectric element (embedded vibrating beam or pellet). b.8) Distance between probe and support The accuracy of the measurement and the reduction of the effect of electrical noise require that the current i detected in the absence of servo-control be as large as possible. For this, the inter-electrode distance z (26) must be as small as possible. Typically, it is of the order of a few hundred micrometers. So that this distance is kept constant during the movement of the support whose surface is to be analyzed in front of the probe, the apparatus is equipped with a servo-control of the distance z between electrodes (Bonnet et al., 1977). To perform this control, the surface potential measuring electrode is also used as a distance sensor. The capacitor of capacitance C is supplied with a sinusoidal voltage V of frequency f = ω '/ 2π (24) different from the vibration frequency f, and a current i = CdV' / dt, of proportional amplitude, is measured at this frequency to the capacitance C and therefore inversely proportional to the distance z.
Les valeurs des fréquences f et f sont choisies suffisamment différentes pour pouvoir être aisément séparées par des détections synchrones. Mécaniquement, afin de maintenir la distance inter-électrodes constante, la sonde de mesure vibrante qui est guidée par un système de translation sans frottement (44) voit sa distance régulée sans à-coup de façon fine grâce à l'utilisation d'un solénoïde et d'un noyau plongeur suspendu. Ce système permet d'obtenir une translation de 2 mm. Des amplitudes de déplacement plus importantes peuvent être obtenues à l'aide d'un moteur rotatif actionnant le plateau d'un micromanipulateur. Ce système est actionné automatiquement par l'électronique de commande lorsque le système de rattrapage fin est hors de ses limites de fonctionnement. Le cas peut se produire lorsque la surface du support n'est pas parallèle à celle du plan de référence et lorsque la surface du support n'est pas plane. Il est ainsi possible de travailler sur des supports de grandes dimensions non parfaitement plans.The values of the frequencies f and f are chosen sufficiently different to be able to be easily separated by synchronous detections. Mechanically, in order to keep the inter-electrode distance constant, the vibrating measurement probe which is guided by a frictionless translation system (44) has its distance smoothly regulated smoothly thanks to the use of a solenoid. and a suspended plunger core. This system provides a translation of 2 mm. Larger displacement amplitudes can be obtained using a rotary motor actuating the micromanipulator tray. This system is activated automatically by the control electronics when the fine compensation system is outside its operating limits. This can happen when the surface of the support is not parallel to that of the reference plane and when the surface of the support is not planar. It is thus possible to work on large supports that are not perfectly flat.
Un autre effet de l'asservissement de la distance est de permettre une mesure en milieu bruyant. b.9) Démarrage d'une cartographie L'asservissement de la distance inter-électrodes, utilisant les deux systèmes complémentaires de commande mécanique est également utilisé pour réaliser l'approche automatique de la sonde dans la phase de démarrage d'un relevé cartographique. b.10) Déplacement du support Afin d'effectuer une cartographie des variations du potentiel électrique du support, il est nécessaire d'effectuer des mesures sur tous les points de coordonnées X et Y de sa surface. Notre système effectue donc un déplacement relatif de la sonde (22) par rapport au support (14). Par exemple, la sonde est maintenue fixe, et la surface du support est déplacée face à la sonde grâce à une table XY à mouvements croisés (50, 52) dont le pilotage est géré par un ordinateur. Il est ainsi possible de déterminer les coordonnées du point de départ et le nombre de points de mesure. En chaque point de coordonnées X et Y déterminées, l'ordinateur gère l'acquisition de la mesure du potentiel de la surface en regard de la sonde. b.11) Pilotage par ordinateurAnother effect of the distance control is to allow measurement in noisy surroundings. b.9) Starting a cartography The servo-control of the inter-electrode distance, using the two complementary mechanical control systems, is also used to carry out the automatic approach of the probe during the start-up phase of a cartographic survey. b.10) Displacement of the support In order to carry out a mapping of the variations of the electric potential of the support, it is necessary to carry out measurements on all the points of coordinates X and Y of its surface. Our system therefore performs a relative displacement of the probe (22) relative to the support (14). For example, the probe is kept fixed, and the surface of the support is moved opposite the probe thanks to an XY table with crossed movements (50, 52) whose piloting is managed by a computer. It is thus possible to determine the coordinates of the starting point and the number of measurement points. At each point of determined X and Y coordinates, the computer manages the acquisition of the measurement of the potential of the surface facing the probe. b.11) Computer control
Afin d'éviter le contact accidentel entre le support et l'électrode de mesure lors de ce déplacement, l'ordinateur gère l'éloignement de la sonde avant le retour puis son repositionnement dans les conditions de mesure idéales lorsque le retour a été effectué. En cas de contact accidentel entre la sonde de mesure et le support, le balayage est stoppé, la sonde est éloignée pour supprimer le ménisque liquide qui se forme entre elle et le support, puis elle est à nouveau approchée en position de mesure avant que le balayage ne reprenne. b.12) Acquisition des mesures Avant le stockage des mesures, on effectue un traitement numérique de ces données. La donnée stockée représente en fait la moyenne de plusieurs mesures effectuées sur le même point, après suppressions de données aberrantes. L'expérimentateur peut choisir le nombre de données entrant dans ce traitement. b.13) Affichage L'écran est découpé en multi-fenêtres avec menus déroulant. Une fenêtre montre les variations de potentiel relevées en cours de balayage d'une ligne, en fonction de l'abscisse du point de mesure. Cette ligne peut être comparée à celle relevée lors du balayage précédent, qui a été mémorisée et affichée dans une autre fenêtre. En fin de relevé, une fenêtre affiche, en tons de gris, une vue plane des variations de potentiel en surface en fonction des coordonnées X et Y du point. b.14) Traitement des mesuresIn order to avoid accidental contact between the support and the measuring electrode during this movement, the computer manages the distance of the probe before the return and then its repositioning in ideal measurement conditions when the return has been made. In the event of accidental contact between the measurement probe and the support, the scanning is stopped, the probe is moved away to remove the liquid meniscus which forms between it and the support, then it is again approached in the measurement position before the scanning does not resume. b.12) Acquisition of the measurements Before the measurements are stored, a digital processing of these data is carried out. The stored data actually represents the average of several measurements made on the same point, after deletion of outliers. The experimenter can choose the number of data entering this processing. b.13) Display The screen is divided into multi-windows with drop-down menus. A window shows the potential variations noted during scanning of a line, as a function of the abscissa of the measurement point. This line can be compared to that noted during the previous scan, which was stored and displayed in another window. At the end of the reading, a window displays, in gray tones, a plan view of the potential variations on the surface as a function of the X and Y coordinates of the point. b.14) Processing of measures
Une interpolation quadratique classique est utilisée afin de limiter l'effet de relevés aberrants.. b.15) Sauvegarde et cartographieA classic quadratic interpolation is used in order to limit the effect of outliers. B.15) Saving and mapping
Les fichiers sont sauvegardés selon un format ASCII. Les images font ensuite l'objet des traitements usuels au moyen des logiciels classiques de traitement de matrices de points.The files are saved in an ASCII format. The images are then subject to the usual processing using conventional point matrix processing software.
Conformément à la présente invention on utilise des appareils de mesure -sans contact- du potentiel électrique de surface pour cartographier la distribution et la quantité de molécules d'origine biologique séparées par un processus adapté.In accordance with the present invention, non-contact measuring devices of the surface electrical potential are used to map the distribution and the quantity of molecules of biological origin separated by an adapted process.
On réalise tout d'abord une dispersion (ou réseau) uni- ou bidimensionnelle en surface d'un support. La méthode selon l'invention fournit une cartographie digitale représentative de l'identité et de l'abondance des biomolécules détectées à la surface du réseau uni- ou bi-dimensionnel. Cette cartographie permet l'analyse qualitative et quantitative, le stockage des données et leur traitement, y compris la comparaison par ordinateur des profils fournis par d'autres échantillons biologiques. Les mesures sans contact du potentiel électrique de surface peuvent être automatisées et contrôlées par ordinateur. Elles constituent une alternative intéressante aux méthodes classiques de détection optiques ou nucléaires. Elles présentent une complémentarité à ces méthodes en mettant en évidence d'autres propriétés physiques, et en permettant l'utilisation d'autres conditions de mesure qui pourraient être mieux adaptées aux molécules à détecter. Elles permettent d'effectuer des mesures quantitatives avec une grande sensibilité. Les techniques fonctionnent à la température ambiante, et/ou en atmosphère contrôlée.First of all, a one- or two-dimensional dispersion (or network) is produced on the surface of a support. The method according to the invention provides a digital mapping representative of the identity and abundance of the biomolecules detected on the surface of the one- or two-dimensional network. This mapping allows qualitative and quantitative analysis, data storage and processing, including computer comparison of profiles provided by other biological samples. Non-contact measurements of the surface electrical potential can be automated and controlled by computer. They constitute an interesting alternative to conventional optical or nuclear detection methods. They present a complementarity to these methods by highlighting other physical properties, and by allowing the use of other measurement conditions which could be better adapted to the molecules to be detected. They allow quantitative measurements to be made with great sensitivity. The techniques operate at room temperature, and / or in a controlled atmosphere.
La sonde de mesure peut être couplée à un bras robotisé de prélèvement. Pour les supports de grandes dimensions, la mesure peut être effectuée grâce à un condensateur vibrant de Kelvin adapté.The measurement probe can be coupled to a robotic sampling arm. For large supports, the measurement can be made using a suitable Kelvin vibrating capacitor.
Selon les signaux électriques détectés, l'invention peut permettre de travailler sur différents supports, avec différents révélateurs ou marqueurs, voire sur des gels non révélés. RESULTATSDepending on the electrical signals detected, the invention can make it possible to work on different supports, with different developers or markers, or even on undisclosed gels. RESULTS
Les résultats qui suivent sont donnés en référence aux figures 4 à 8.The results which follow are given with reference to FIGS. 4 to 8.
Des essais sont effectués à l'aide du condensateur vibrant (=Kelvin) sur des supports de type nylon, après coloration à l'or colloïdal.Tests are carried out using the vibrating capacitor (= Kelvin) on nylon type supports, after coloration with colloidal gold.
On a mis en évidence des variations de potentiels de surface qui correspondent à des dépôts de protéines colorées à l'or colloïdal.We have highlighted variations in surface potentials which correspond to deposits of proteins stained with colloidal gold.
L'échelle latérale en tons de gris traduit la valeur du potentiel mesuré en chaque point. Le passage par une valeur minimum du potentiel correspond aux tons les plus foncés.The lateral scale in gray tones translates the value of the potential measured at each point. Passing through a minimum potential value corresponds to the darkest tones.
Les courbes représentées aux Figures 8A et 8C représentent les valeurs du potentiel relevées lors du balayage des lignes 40 et 145 du gel d'électrophorese de la Figure 8B, respectivement. Comme le montrent les traits de rappel, les niveaux bas atteints, qui sont différents sur les minima A et B, font apparaître l'aspect quantitatif de la caractérisation.The curves represented in FIGS. 8A and 8C represent the values of the potential recorded during the scanning of lines 40 and 145 of the electrophoresis gel of FIG. 8B, respectively. As the reminder lines show, the low levels reached, which are different on minima A and B, reveal the quantitative aspect of the characterization.
Les données concernant les variations du potentiel de surface peuvent sans difficulté être traitées numériquement pour augmenter les contrastes et/ou faire apparaître des informations complémentaires jusque là noyées dans un fond continu, par exemple la région C de la Figure 8A.The data concerning the variations of the surface potential can easily be processed numerically to increase the contrasts and / or to reveal additional information hitherto embedded in a continuous background, for example the region C of FIG. 8A.
Cette technique peut être étendue à différents supports et différentes colorations, voire à des transferts non colorés. Elle pourrait être adaptée à des mesures sur gels d'acrylamide, ce qui éviterait les transferts et permettrait le prélèvement par emporte-pièce automatisé des spots détectés.This technique can be extended to different supports and different colors, even to non-colored transfers. It could be adapted to measurements on acrylamide gels, which would avoid transfers and allow the automated punching out of detected spots.
Comparée aux techniques de coloration antérieures, l'approche conforme à l'invention rend plus finement compte du phénomène, puisque l'on peut distinguer des sous-structures. L'analyse des sous-structures peut renseigner utilement sur le présence de plusieurs protéines sous un spot et donc amener à une plus grande qualité de discrimination entre deux protéines extrêmement voisines, Compared to previous coloring techniques, the approach according to the invention gives a more detailed account of the phenomenon, since one can distinguish substructures. The analysis of substructures can usefully provide information on the presence of several proteins under a spot and therefore lead to a higher quality of discrimination between two extremely neighboring proteins,
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Claims

REVENDICATIONS
1. Méthode de détection et de quantification d'au moins une molécule biologique éventuellement marquée dans un échantillon comportant une étape de dispersion spatiale, du type électrophorèse, de ladite au moins une molécule sur un support, caractérisée en ce qu'elle comporte (i) une étape de mesure du potentiel de surface dudit support, en chaque point de surface dudit support, à l'aide d'au moins une sonde. 1. Method for detecting and quantifying at least one biological molecule optionally labeled in a sample comprising a step of spatial dispersion, of the electrophoresis type, of said at least one molecule on a support, characterized in that it comprises (i ) a step of measuring the surface potential of said support, at each surface point of said support, using at least one probe.
2. Méthode selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le support est du type gel d'acrylamide.2. Method according to claim 1, characterized in that the support is of the acrylamide gel type.
3. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, où la molécule biologique ou l'ion complexe de même squelette carboné est marqué.3. Method according to one of claims 1 or 2, wherein the biological molecule or the complex ion of the same carbon skeleton is labeled.
4. Méthode selon l'une des revendications 1 ou 2, où la molécule ou l'ion complexe de même squelette carboné n'est pas marqué.4. Method according to one of claims 1 or 2, wherein the molecule or the complex ion of the same carbon skeleton is not labeled.
5. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, comprenant une étape additionnelle de transfert de la molécule biologique sur un deuxième support, conducteur d'électricité, avant l'étape (i) de mesure du potentiel de surface. 5. Method according to any one of claims 1 to 4, comprising an additional step of transfer of the biological molecule to a second support, electrically conductive, before step (i) of measuring the surface potential.
6. Méthode selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit deuxième support est une membrane mouillable à l'eau telle qu'une membrane de cellulose ou de nitrocellulose imprégnée d'une solution d'électrolytes ou une membrane de graphite.6. Method according to claim 5, characterized in that said second support is a membrane wettable with water such as a cellulose or nitrocellulose membrane impregnated with an electrolyte solution or a graphite membrane.
7. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend une étape additionnelle de transfert de la molécule biologique sur un deuxième support non conducteur d'électricité, poreux, préalable à l'étape (i) de mesure du potentiel de surface.7. Method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises an additional step of transfer of the biological molecule onto a second porous non-electrically conductive support, prior to step (i) for measuring the surface potential.
8. Méthode selon la revendication 9, caractérisée caractérisée en ce que ledit deuxième support est une membrane de nylon. 8. Method according to claim 9, characterized in that said second support is a nylon membrane.
9. Méthode selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la sonde est une sonde Kelvin ou un condensateur vibrant.9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the probe is a Kelvin probe or a vibrating capacitor.
10. Méthode selon la revendication 9, caractérisée en ce que la vibration de la sonde est produite par un moteur de type haut-parleur électromagnétique ou par un élément piézo-électrique, tel que poutre vibrante encastrée ou pastille. 10. Method according to claim 9, characterized in that the vibration of the probe is produced by a motor of the electromagnetic loudspeaker type or by a piezoelectric element, such as embedded vibrating beam or pellet.
11. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la mesure du potentiel de surface est automatisée et contrôlée par ordinateur.11. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the measurement of the surface potential is automated and controlled by computer.
12. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre des étapes consistant à stocker, traiter les données cartographiques obtenues et à comparer par ordinateur ces données à des profils obtenus à partir d'autres échantillons de molécules biologiques.12. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that it further comprises steps consisting in storing, processing the cartographic data obtained and in comparing by computer these data with profiles obtained from other samples of biological molecules.
13. Méthode selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support et la sonde sont implantés dans une enceinte à hygrométrie et atmosphère contrôlée.13. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the support and the probe are implanted in an enclosure with hygrometry and controlled atmosphere.
14. Méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce qu'elle comprend, préalablement à l'étape (i) de mesure du potentiel de surface, une étape additionnelle d'étalonnage de la mesure, ladite étape d'étalonnage comprenant les étapes suivantes :14. Method according to any one of claims 1 to 13, characterized in that it comprises, prior to step (i) of measuring the surface potential, an additional step of calibration of the measurement, said step d calibration comprising the following steps:
(a) déposer un marqueur, tel que l'or colloïdal, sur ledit premier support, ce par quoi seule la fraction où a été effectué un dépôt de la molécule fixe ledit marqueur, la fraction complémentaire du support se trouvant nue ;(a) depositing a marker, such as colloidal gold, on said first support, whereby only the fraction where a deposition of the molecule was carried out fixes said marker, the complementary fraction of the support being naked;
(b) placer le support vis-à-vis de la sonde de telle sorte que la surface en regard de la sonde n'ait subi aucun dépôt et mesurer un premier potentiel de surface puis placer le support vis-à-vis de la sonde de telle sorte que la surface en regard de la sonde soit entièrement marquée et mesurer un second potentiel de surface;(b) place the support with respect to the probe so that the surface facing the probe has not undergone any deposition and measure a first surface potential then place the support with respect to the probe so that the surface facing the probe is fully marked and measure a second surface potential;
15. Dispositif pour la mise en œuvre de la méthode selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il comporte :15. Device for implementing the method according to any one of claims 1 to 14, characterized in that it comprises:
- un support (14) à la surface duquel sont immobilisées des molécules biologiques ;- a support (14) on the surface of which biological molecules are immobilized;
- une sonde (22) située à une distance z (26) de la surface du support (14) ;- a probe (22) located at a distance z (26) from the surface of the support (14);
- un moteur (20) provoquant la variation sinusoïdale, de fréquence f de la valeur de la distance z ;- a motor (20) causing the sinusoidal variation, of frequency f of the value of the distance z;
- un générateur de courant continu (16) pour appliquer une différence de potentiel (16) de la sonde (21) et le support (14) ;- a direct current generator (16) for applying a potential difference (16) of the probe (21) and the support (14);
- un générateur de courant sinusoïdal (24) pour appliquer une différence de potentiel V/sinusoïdale de fréquence f, la fréquence f et la fréquence f étant choisies de valeurs suffisamment différentes pour pouvoir être aisément séparées par des détections synchrones. - a sinusoidal current generator (24) for applying a potential V / sinusoidal difference of frequency f, the frequency f and the frequency f being chosen with sufficiently different values to be able to be easily separated by synchronous detections.
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens permettant le déplacement de la sonde (22) en regard de tout point de surface du support (14). 16. Device according to claim 15, characterized in that it comprises means allowing the displacement of the probe (22) opposite any point on the surface of the support (14).
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