DE10053473A1

DE10053473A1 - Bauteil zur Interaktionsanalyse mit Kooperationseffekte ausbildenden Probenmolekülspezies

Info

Publication number: DE10053473A1
Application number: DE10053473A
Authority: DE
Inventors: Derya Oezkan
Original assignee: ORIGEN BIOTECHNOLOGY AG
Current assignee: ORIGEN BIOTECHNOLOGY AG
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-10-20
Publication date: 2001-09-27
Also published as: DE10053393A1; DE10053394A1; DE10053394C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Träger und mit auf dem Träger in definierter Anordnung angeordneten Probenmolekülfeldern, wobei jedes Probenmolekülfeld Probenmoleküle zumindest einer Probenmolekülspezies trägt, und wobei eine Zuordnung zwischen den geometrischen Positionen der Probenmolekülfelder innerhalb des Bauteils und den Probenmolekülspezies der Probenmolekülfelder getroffen ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß jedes Probenmolekülfeld Probenmoleküle einer jeweils selektierten, unterschiedlichen Probenmolekülspeziesgruppe trägt, wobei Gruppenelemente jeder Probenmolekülspeziesgruppe gemeinsam unter Ausbildung von kooperativen Effekten an ein defindiertes Targetmolekül binden.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Träger und mit zumindest einem auf dem Träger in definierter Anordnung angeordneten Probenmolekülfeld, wobei das Probenmolekülfeld Probenmoleküle zumindest einer Pro benmolekülspezies trägt, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils sowie die Verwendung eines sol chen Bauteils.

Hintergrund der Erfindung und Stand der Technik

Bauteile des eingangs genanntes Aufbaus, beispiel sweise Biochips, dienen u. a. der schnellen Analyse von Proben auf die Anwesenheit oder Abwesenheit von Tar getmolekülen. Es handelt sich im Kern um ein paral leles Verfahren, da eine Probe gleichzeitig mit mehreren oder allen Elementen des Bauteils kontaktiert wird und Targetmoleküle mit jenen Elementen reagieren, welche für das Targetmolekül spezifische Proben moleküle tragen.

Biochips sind in den verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Beispielsweise die Literaturstelle OS-A-5,744,305 beschreibt einen Biochip mit einer pla naren Struktur, auf deren Oberfläche in definierten Bereichen, den sogenannten Spots, jeweils selektierte und zugeordnete Probenmoleküle aufgebracht sind. Sol che Biochips können hinsichtlich der Spezifität der Bindung nicht hinreichend genau sein. Insbesondere besteht beispielsweise im Falle von Nukleinsäuren als Proben- und Targetmolekülen die Gefahr, daß ein sin gulärer Mismatch in der Sequenz dennoch zu einer Bindung und folglich zu einem (fehlerhaften) Signal führt. Dies stört beispielsweise in besonderem Maße in Fällen, in welchen auf Punktmutationen zu untersuchen ist.

Ein Biochip anderen Aufbaus ist aus der Litera turstelle US-A-6,037,186 bekannt. Demgemäß werden eine Mehrzahl von porösen Stäben hergestellt, welche jeweils mit einer Lösung, enthaltend eine selektierte Probenmolekülspezies, gleichsam getränkt werden. Nach Bündelung der getränkten Stäbe werden von dem Bündel in einer Ebene orthogonal zur Längserstreckung des Bündels Scheiben abgeschnitten, welche den Biochip bilden. Die Schnittflächen bilden dabei die Spots. Ein Biochip wiederum anderen Aufbaus ist aus der Litera turstelle US-A-5,837,196 bekannt. Bei dem insofern bekannten Biochip ist dieser aus einem Bündel von op tischen Fiberelementen gebildet, deren in einer Ebene angeordneten Stirnflächen die Probenmoleküle tragen. Eine Auslesung erfolgt durch Abnahme von optischen Signalen an dem die Probenmoleküle tragenden ent gegengesetzten Ende der Fiberelemente. Auch bei diesen Biochips stellt sich das Problem falscher Signale, wie vorstehend beschrieben.

Aus der Literaturstelle US-A-5,770,365 ist es bekannt, eine Hybridisierung von Nukleinsäuren unter Ausbildung eines Stacking Effektes durchzuführen. Bei den Proben molekülen handelt es sich jeweils um ein einziges Element einer Probenmolekülspeziesgruppe, und zwar um ein teilweise doppelsträngiges Hairpin Oligonukleotid. Der Stacking Effekt tritt dabei zwischen dem (sin gulären) Probenmolekül und dem Targetmolekül ein.

Technisches Problem der Erfindung

Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein Bauteil anzugeben, welches auf einfache Weise mit erhöhter Selektivität und folglich erhöhter Zuverläs sigkeit arbeitet sowie mit einer geringeren Anzahl von Probenmolekülspezies den Nachweis einer vergleich sweise hohen Vielzahl an Targetmolekülen erlaubt.

Grundzüge der Erfindung

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Er findung, daß das Probenmolekülfeld zumindest zwei Pro benmolekülspezies einer Probenmolekülspeziesgruppe trägt, wobei Gruppenelemente der Probenmolekülspezies gruppe gemeinsam unter Ausbildung von kooperativen Effekten an ein definiertes Targetmolekül binden. Es können mehrere Probenmolekülfelder vorgesehen sein, wobei dann eine Zuordnung zwischen den geometrischen Positionen der Probenmolekülfelder innerhalb des Bau teils und den Probenmolekülspezies (bzw. der jeweils unterschiedlichen Probenmolekülspeziesgruppe) der Pro benmolekülfelder getroffen ist. Der kooperative Effekt tritt dabei bei Bindung eines Targetmoleküls vorzug sweise zwischen den Gruppenelementen der Proben molekülspeziesgruppe eines Probenmolekülfeldes ein.

Mit dem kooperativen Effekt wird im Bindungsfalle ein zusätzlicher energetischer Gewinn erhalten, mit der Folge erhöhter Spezifität der Bindungsereignisse. Bindungsereignisse, welche nicht den kooperativen Ef fekt auslösen sind demgegenüber energetisch destabilisiert.

Weiterhin lehrt die Erfindung ein Verfahren zur Her stellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, mit den folgenden Verfahrensstufen: a) es wird ein Träger, vor zugsweise ein planarer Träger, hergestellt, b) auf dem Träger werden in definierter Anordnung Proben molekülfelder eingerichtet, c) auf jedem Proben molekülfeld werden Probenmoleküle einer jeweils selektierten, unterschiedlichen Probenmolekülspezies gruppe immobilisiert, wobei Gruppenelemente jeder Pro benmolekülspeziesgruppe gemeinsam unter Ausbildung von kooperativen Effekten an ein definiertes Targetmolekül binden, d) optional wird das Produkt aus Stufe c) einer Waschverfahrensstufe zugeführt, e) jedem Proben molekülfeld wird die in Stufe c) immobilisierte Pro benmolekülspeziesgruppe zugeordnet, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bau teils, mit den folgenden Verfahrensstufen: a) es wird zumindest eine Endlosfiber hergestellt, b) die Endlos fiber wird durch ein Fluid enthaltend als Proben moleküle zumindest zwei Elemente einer selektierten Probenmolekülspeziesgruppe geleitet, c) die Proben moleküle der Probenmolekülspeziesgruppe werden an der Endlosfiber immobilisiert, d) optional wird die End losfiber zumindest einer Waschverfahrensstufe zuge führt, e) der Endlosfiber wird die in Stufe c) an der Fiber immobilisierte Probenmolekülspeziesgruppe zugeordnet, f) von verschiedenen Endlosfibern oder von verschiedenen Abschnitten einer Endlosfiber wird jeweils ein Fiberelement abgeschnitten und die Fiberelemente verschiedener Endlosfibern oder Ab schnitte werden gebündelt und fixiert.

Schließlich lehrt die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauteils in einem Verfahren zur De tektion von Targetmolekülen, mit folgenden Verfahren stufen: a) dem Bauteil wird eine Lösung mit prospektiven Targetmolekülen zugeführt unter Bedingun gen, bei welchen Targetmoleküle an Probenmoleküle bin den, b) gleichzeitig mit Stufe a) oder hieran anschließend wird das Bauteil einer Nachweisver fahrensstufe zugeführt, in welcher Bindungsereignisse aus Stufe a) detektierbar sind, wobei eine Detektion mit lateraler Ortsauflösung erfolgt, und wobei die Ortsauflösung zumindest so hoch ist, wie der Abstand zweier benachbarter Probenmolekülfelder, c) gleichzeitig mit Stufe b) oder hieran anschließend erfolgt eine Zuordnung detektierter Signale zu den Probenmolekülfeldern, von welchen die Signale erhalten werden, sowie die Verwendung eines erfindungsgemäßen Bauteils in einem Verfahren zur Detektion von Target molekülen, wobei optisch kontaktierbare Stirnflächen der Fiberelemente optisch beispielsweise mit einem CCD Array oder über ein Mikrospiegelsystem mit einem Pho tomultiplier verbunden sind, welche sensitiv für op tische Strahlung einer Nachweiswellenlänge sind, und wobei Sensorelemente des CCD Arrays bzw. Mikrospiegel oder Mikrospiegelstellungen jeweils den Fiberelementen zugeordnet sind, mit folgenden Verfahrenstufen: a) dem Bauteil wird eine Lösung mit prospektiven Targetmolekülen zugeführt unter Bedingungen, bei welchen Targetmoleküle an Probenmoleküle binden, b) gleichzeitig mit Stufe a) oder hieran anschließend wird das Bauteil mit einer eine Nachweiswellenlänge anregende Primärstrahlung bestrahlt, c) gleichzeitig mit Stufe b) oder hieran anschließend erfolgt eine Auslesung der Signale der Sensorelemente des CCD Ar rays oder des Photomultipliers und Aufbereitung sowie Abspeicherung der Signale. Alternativ oder zusätzlich können die Fiberelemente beispielsweise elektrisch kontaktierbar und/oder kontaktiert sein, zum Zwecke der Auswertung durch Messung der Impedanz bzw. der Impedanzänderungen. Auch Auswertungen durch Detektion von Oberflächenplasmonenresonanzen oder Streuprozessen sind möglich. Vor allem ist auch Lumineszenzdetektion möglich. Im Rahmen der Erfindung umfaßt der Ausdruck des Bindens auch Interaktionen im weitesten Sinne.

Definitionen

Als Bauteil bzw. Biochip ist eine Anordnung bezeich net, welche in diskreten und definierten Flächen bereichen, den Probenmolekülfeldern, Probenmoleküle einer Probenmolekülspezies oder Probenmolekülspezies gruppe trägt. In der Regel wird jedes Probenmolekül feld eines Bauteils eine andere Probenmolekülspezies-/-gruppe tragen. Die Probenmolekülfelder sind adress ierbar in dem Sinne, daß eine Zuordnung getroffen ist/wird zwischen jedem Probenmolekülfeld bzw. seiner geometrischen Lage im Rahmen des Bauteils und der von dem Probenmolekülfeld getragenen Probenmolekülspezies gruppe. Dabei kann die Zuordnung direkt oder indirekt sein. In letzterem Falle findet zunächst, beispiel sweise in Zuge der Herstellung, eine Zuordnung zwischen Probenmolekülen oder Probenmolekülgruppen und (unterschiedlichen) Markierungen der Felder statt. Im Kern wird also zunächst eine Markierung den Proben molekülen bzw. Probenmolekülgruppen zugeordnet. Nach Fertigstellung des Bauelements wird dann eine Detek tion der Markierungen und Zuordnung der Markierungen und folglich der Probenmolekülspezies bzw. Proben molekülspeziesgruppen zu der räumlichen Anordnung der Felder in dem Bauteil durchgeführt. Eine Markierung kann beispielsweise durch Ein- oder Aufbringung von Quantenspots an bzw. in einem Feld erfolgen. Beliebige andere Markierungsarten, beispielsweise Farbpig mentcodierung, sind ebenfalls möglich. Die endgültige Zuordnung zwischen Probenmolekülspezies-/-gruppe zu deren räumlichen Anordnung kann dabei herstellerseitig oder auch erst anwenderseitig erfolgen. Im Ergebnis braucht nicht im eigentlichen Herstellungsprozeß eine exakte räumliche Anordnung eingehalten zu werden, vielmehr findet nach Zusammenfügung des Bauteils gleichsam eine Kalibrierung durch ortsaufgelöste De tektion der Markierungen statt.

Der Ausdruck des Bauteils umfaßt auch die Begriffe des Biochips sowie des "zusammengesetzten Analysesystems aus einer Vielzahl unabhängiger Einzelelemente.

Probenmoleküle sind Moleküle, welche mit Target molekülen eine spezifische Wechselwirkung eingehen können. Beispiele für solche Wechselwirkungen sind:
Antikörper-Antigen, Lectin-Kohlenhydrat, Protein- Aptamer, Nukleinsäure-Nukleinsäure, Nukleinsäure- Ribozym, Biotin-Avidin, usw.

Targetmoleküle sind Moleküle, auf welche eine zu analysierende Probe, welche dem Bauteil aufgegeben wird, untersucht wird. Targetmoleküle können aber auch Moleküle sein, die gezielt aus einer (z. B. mit anderen Methoden oder auch mit der gleichen Methode zu analysierenden) Probe entfernt werden sollen.

Eine Probenmolekülspezies enthält Probenmoleküle ausschließlich einer Struktur, beispielsweise einer Sequenz im Falle von Nukleinsäuren oder Proteinen oder Peptiden.

Eine Probenmolekülspeziesgruppe enthält als Grup penelemente zumindest zwei Probenmolekülspezies. Hier bei kann es bei den Probenmolekülspezies um gleichartige oder verschiedenartige Probenmolekültypen handeln. Als Probenmolekültypen werden beispielsweise Nukleinsäuren, DNA, RNA, PNA, Peptide, Proteine und Saccharide bezeichnet.

Kooperative Effekte zwischen Molekülen mehrerer Pro benmolekülspezies bzw. Elementen einer Probenmolekül speziesgruppe und einer Targetmolekülspezies sind dadurch gekennzeichnet, daß der energetische Gewinn durch simultane Wechselwirkung zwischen jeweils den Molekülen der verschiedenen Probenmolekülspezies ein erseits und den zwischen den verschiedenen Proben molekülspezies und dem Targetmolekül insgesamt anderseits größer ist als die Summe der energetischen Gewinne der Wechselwirkungen eines Moleküls jeweils einer Probenmolekülspezies mit einem Molekül der Tar getmolekülspezies. Der zusätzlich Energiegewinn rührt also von der Kooperation zwischen den Probenmolekülen verschiedener Probenmolekülspezies im Bindungsfalle der Probenmoleküle mit dem Targetmolekül. Im Falle der Nukleinsäuren als Probenmoleküle und Targetmoleküle sind beispielshaft Stacking Effekte zu nennen. Der Stacking Effekt ist ein Energiegewinn durch Wechsel wirkungen, nämlich Delokalisation der π-Elektronen der hydrophoben Ringstrukturen benachbarter Basen in dop pelsträngigen Nukleinsäuren. Der Stacking Effekt tritt dabei zwischen den Enden der Probennukleinsäuren ein, wenn eine Bindung an ein Targetmolekül derartig stattfindet, daß die Enden der Probennukleinsäuren benachbart zueinander gebunden werden. Im Falle der Proteine können kooperative Effekte aus speziellen Sekundärstrukturen miteinander wechselwirkender Prote ine resultieren. Generell wird mit kooperativen Effek ten eine höhere Spezifität und Bindungsenergie einer Bindung zwischen Probenmolekülen und einem Target molekül erreicht.

Ein Hybridisierungbereich ist ein Sequenzbereich einer Probennukleinsäure, welche mit einer Targetnuklein säure hybridisieren kann. Ein Spacerbereich ist eine an einem Ende der Probennukleinsäure gebundene Gruppe, welche mit einer zweiten Bindungsstelle an dem Proben molekülfeld gebunden ist. Ein Spacerbereich ist zweck mäßigerweise so gestaltet, daß eine Bindung bzw. Hybridisierung mit einem Targetmolekül nicht stattfin den kann. Ein Spacerbereich kann beispielsweise aus einem nicht-hybridisierenden Oligonukleotid gebildet sein. Mit einem Spacerbereich wird erreicht, daß einerseits der Hybridisierungsbereich in ausreichendem Abstand zur Oberfläche des Probenmolekülfeldes angeordnet wird und andererseits der Hybridis ierungsbereich gleichsam flexibilisiert wird und fol glich ohne sterische bzw. konformationsbedingte Restriktionen an ein Targetmolekül binden kann.

Als Fiberelemente sind von einer Endlosfiber ab geschnittene Stücke bezeichnet. In der Regel wird der Schnitt in einer Ebene orthogonal zur Längserstreckung der Endlosfiber ausgeführt sein, es ist jedoch selbstverständlich auch eine demgegenüber weniger als 90° abgewinkelte Schnittebene möglich.

Eine Endlosfiber ist ein stabartiges oder fadenartiges Gebilde, mit gegenüber der Länge von Fiberelementen großer Längserstreckung, welches typischerweise mit tels Ziehtechnologien, Blastechnologien und/oder Ex trusionstechnologien hergestellt und auf Trommeln oder dergleichen aufgewickelt und bevorratet sein können.

Eine Endlosfiber und/oder ein Fiberelement kann in einer zur Längserstreckung orthogonalen Querschnittsebene die verschiedensten Querschnittsfor men aufweisen. Lediglich bevorzugt ist ein im wesen tlichen kreisförmiger Querschnitt. Insofern umfaßt der Begriff der Mantelfläche im Rahmen der Erfindung nicht nur Zylindermantelflächen, sondern auch Mantelflächen im Falle nicht-kreisförmiger Querschnitte. Insofern bezeichnet der Begriff der radialen Richtung im Rahmen der Erfindung alle Richtungen in einer Querschnittse bene. Insofern bezeichnet schließlich der Durchmesser im Rahmen der Erfindung d = 2.(F/2π)^0,5, wobei F die Querschnittsfläche (beliebiger Form) ist.

Die Stirnfläche eines Fiberelementes ist durch einen Schnitt durch eine Endlosfiber gebildet.

Beabstandung der Fiberelemente meint, daß die Man telflächen benachbarter Fiberelemente einander nicht berühren. Es ist dann eine Bündelung der Fiberelemente ohne Linienkontakt zwischen einzelnen Fiberelementen des Bündels geschaffen. Linienkontakt bedeutet, daß der (mechanische) Kontakt nicht in Bereichen zue inander paralleler Flächen benachbarter Fiberelemente besteht. Einer Beabstandung der Fiberelemente und/oder einem Linienkontakt zwischen benachbarten Fiberelemen ten gleichwertig ist die Einrichtung von sich in ra dialer Richtung erstreckenden Nasen im Bereich der Mantelfläche eines Fiberelements, wodurch benachbarte Fiberelemente bis auf den Punkt-, Linien-, oder Fläch enkontakt im Bereich der Nasen voneinander beabstandet gehalten werden.

Ein Fiberelementebündel weist in der Regel zueinander coplanare Stirnflächen der gebündelten Fiberelemente auf. Es ist aber auch möglich, innerhalb eines Fiberelementebündels Gruppen von Fiberelementen mit jeweils coplanaren Stirnflächen auszubilden, wobei die Stirnflächen von Fiberelementen unterschiedlicher Gruppen zueinander nicht coplanar sind.

Optische Fiberelemente sind optisch transparent für elektromagnetische Strahlung zumindest in einem Teil bereich der Bereich IR, sichtbares Licht und/oder UV.

Optisch transparent meint, daß die Dämpfung der elek tromagnetischen Strahlung ausreichend gering ist, um eine Detektion an einem Ende eines Fiberelements erzeugter elektromagnetischen Strahlung an dem gegenüberliegenden Ende des Fiberelementes mittels üblicher Detektionstechnologien zu erlauben.

Der Begriff der optischen Kontaktierbarkeit bezeichnet eine Aufbereitung einer Teilfläche eines Fiberelemen tes, welche die Emission von elektromagnetischer Strahlung aus dem Fiberelement heraus durch die Teilfläche erlaubt. Eine starke Streuung ist möglichst zu vermeiden. Ggf. können die Teilflächen auf geeignete Weise bearbeitet, beispielsweise geglättet oder poliert werden. Es ist auch das Anpolieren oder Aufbringen von Mikrolinsen zur Fokussierung autre tender Strahlung möglich.

Als funktionelle Gruppen eines Polymerwerkstoffes sind solche chemische Gruppen des Polymergerüstes bezeich net, welche eine unspezifische Bindung zwischen Tar getmolekülen und dem Polymerwerkstoff ermöglichen. Im Falle von Nukleinsäuren und/oder Proteinen als Target molekülen wären funktionelle Gruppen beispielsweise Aminogruppen, Hydroxylgruppen, Thiolgruppen und Car boxylgruppen. Es versteht sich, daß das Gesagte auch auf dem Polymerwerkstoff ggf. zugegebene Hilfsstoffe zutrifft.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung

Die Probenmoleküle der Probenmolekülspeziesgruppen können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus "Nukleinsäuren, DNA, RNA, PNA, Aptamere, Proteine, Peptide, Saccharide sowie Mischungen dieser Proben moleküle". Wesentlich ist lediglich, daß die auf einem Probenmolekülfeld angeordneten Probenmoleküle ver schiedener Probenmolekülspezies mit einem Target molekül unter Ausbildung kooperativer Effekte binden können. Insofern ist es grundsätzlich auch nicht zwin gend notwendig, daß die Elemente einer Probenmolekül speziesgruppe einem gemeinsamen Probenmolekültypus angehören. Ebenso können grundsätzlich auch Proben moleküle und Targetmoleküle verschiedenen Molekültypen angehören.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung sind die Probenmolekülspezies Nukleinsäuren, wobei die Kooperationseffekte Stacking Effekte der (Proben)- Nukleinsäuren bei Anlagerung eines Targetmoleküls, insbesondere einer Targetnukleinsäure, sind. Die Pro bennukleinsäuren können einen Hybridisierungsbereich und einen Spacerbereich aufweisen, wobei der Hybridis ierungsbereich über den Spacerbereich an einem Proben molekülfeld immobilisiert ist. Der Hybridisierungs bereich kann zwar grundsätzlich beliebig lang sein, es empfiehlt sich jedoch, diesen möglichst klein zu hal ten; er umfaßt bevorzugterweise 3 bis 25 Nuklein säurenbasen, insbesondere 3 bis 10 Nukleinsäurebasen. Der Spacerbereich ist bevorzugterweise aus Nuklein säurenbasen, insbesondere Thymidin, gebildet, wobei der Spacerbereich 5 bis 80, vorzugsweise 25 bis 40, Nukleinsäurebasen umfaßt. Es ist auch möglich, syn thethische organische Oligomere oder Polymere als Spacerbereiche einzusetzen, in deren Polymerkette beispielsweise Carbamatgruppen eingebaut sein können.

Jedes Probenmolekülfeld kann Probenmoleküle zumindest zweier jeweils selektierter, unterschiedlicher Proben molekülspezies tragen. Mit anderen Worten ausgedrückt, jedes Probenmolekülfeld trägt Probenmoleküle zweier unterschiedlicher Strukturen. In Hinblick auf die genutzten kooperativen Effekte wird es sich empfehlen, die jeweiligen molaren Mengen der Probenmoleküle un terschiedlicher Strukturen auf einem Probenmolekülfeld innerhalb von Abweichungen bis zu ±50%, besser bis zu ±20%, gleich groß zu halten. Die Probenmoleküle un terschiedlicher Strukturen können auf einem Proben molekülfeld hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Bindungstellen an dem Probenmolekülfeld in Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung vorteilhafter weise stochastisch verteilt sein.

Die Erfindung ist grundsätzlich bei Bauteilen jeden Aufbaus einsetzbar, beispielsweise des Aufbaus, wie eingangs als Stand der Technik beschrieben. Bevorzugt ist es, wenn jedes Probenmolekülfeld jeweils auf einem Fiberelement einer Mehrzahl von Fiberelementen ge bildet ist, wobei die Probenmoleküle an Mantelflächen der Fiberelemente immobilisiert sind, und wobei die Fiberelemente mittels eines Tragelements in radialer Richtung, bezogen auf die Fiberelemente, gegeneinander beabstandet fixiert oder in Linienkontakt miteinander gebündelt sind. Ein Fiberelement kann auch mehrere Probenfelder tragen.

Grundsätzlich können die Fiberelemente beliebige For men in Richtung der Längserstreckung aufweisen. In Hinblick auf eine sichere beabstandete Fixierung über die gesamte Längserstreckung der Fiberelemente kann es sich empfehlen, die Fiberelemente gerade verlaufend und parallel oder radial zueinander angeordnet auszu bildet. Es versteht sich, daß der Abstand der Fiberelemente so abgestimmt ist, daß unter Berücksi chtigung möglicher lateraler mechanischer Belas tungskräfte der Fiberelemente und des Elastizitätsmoduls des Werkstoffes der Fibern sowie deren Länge, die Zylindermantelflächen benachbarter Fiberelemente sich unter normalen Betriebsbedingungen des Bauteils nicht berühren können. Es gelten aber auch die bereits angesprochenen Alternativen.

Es ist bevorzugt, wenn die Fiberelemente optische Fiberelemente sind. Mit dieser Ausführungsform lassen sich Signale beispielsweise Floureszenzsignale aus entsprechenden Markergruppen von an den Fibern gebun denen Molekülen (optisch) anregen und zur Detektion mittels optischer Sensoren zu optisch kontaktierbaren Stellen der Fiberelemente leiten. Solche Stellen kön nen insbesondere die Stirnflächen der Fiberelemente sein. Optische Fibern können beispielsweise zumindest teilweise aus Glas bestehen. Bevorzugt ist es allerd ings, die Fiberelemente aus einem Polymerwerkstoff gebildet sind, welcher vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehen aus "Polyethylen (PE), Polycar bonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polytherephthalat(PETP), Polyethersulfon (PES), Poly etheretherketon (PEEK), Polyphenylenoxid (PPO), Polyphenylensulfid (PPS), Polybuthylenterephthalat (PBT, Polyoxymethylen (POM), Polysulfon (PSU), Poly etherimid (PEI), Polyamid(PA) und Mischungen sowie Copolymere der Monomere solcher Polymere", insbeson dere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus "Polycar bonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol und Mischungen sowie Copolymere der Monomere solcher Po lymere". Wesentlich bei der Werkstoffauswahl ist le diglich, daß der Werkstoff ausreichend (dauer)- temperaturbeständig gegen im Zuge einer Prozessierung oder eines Einsatzes der Bauteils auftretenden Tem peraturen ist. Als in diesem Sinne hochtemperatur beständig werden alle Polymerwerkstoffe bezeichnet, welche sich bei Exposition unter zumindest 90°C, vor zugsweise zumindest 120°C, insbesondere zumindest 140°C, über 1000 Stunden als beständig erweisen. Typ ischerweise ist dies erfüllt, wenn die Glastemperatur überhalb der genannten Temperaturgrenze liegt. Beson ders temperaturbeständig ist beispielsweise Polycar bonat mit einer Glastemperatur von 150°C. Es versteht sich, daß der Polymerwerkstoff in der Kunststofftech nologie übliche Hilfsstoffe enthalten kann, wie beispielsweise Weichmacher, Lichtstabilisatoren, ins besondere UV-Stabilisatoren, und dergleichen. Auch können die (wellenlängenabhängige) Dielektrizitätskon stante beeinflussende Zusätze eingebracht sein zum Zwecke der Optimierung der optischen Eigenschaften in einem interessierenden Wellenlängenbereich.

Ein Fiberelement kann auch aus mehreren Werkstoffen im Verbund hergestellt sein. Insbesondere können im Bereich der Zylindermantelfläche von dem Werkstoff des Cores verschiedene Werkstoffe eingesetzt sein, beispielsweise um die Reflektivität von in dem Fiberelement laufenden Lichts an der Grenzfläche festflüssig bzw. fest/gas ggf wellenlängenselektiv zu modifizieren. Auch kann beispielsweise das Core aus einem mechanisch starren Werkstoff bestehen, beispiel sweise Metall, Glas oder Polycarbonat, während der das Core umgebende optisch transparente Werkstoff dann weniger starr sein kann.

In geometrischer Hinsicht können die Fiberelemente wie folgt ausgebildet und angeordnet sein. Die Fiberele mente weisen vorzugsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,01 µm bis 1000 µm und eine Länge im Bereich von 0,1 µm bis 100 mm auf. Das Verhältnis Durchmesser zu Länge kann im Bereich 100 bis 10^-4 liegen. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die Fiberelemente in einer Di chte von 1 bis 10⁷ Fibern/cm², bezogen auf eine ra diale Querschnittsebene der Fiberelemente, gepackt sind.

Hinsichtlich des Tragelements sind verschiedene Aus führungsformen möglich. Das Tragelement kann an einem Ende der Fiberelemente angeordnet und die Enden der Fiberelemente umfassend ausgebildet sein, wobei die Stirnflächen der umfaßten Fiberelemente direkt oder indirekt optisch kontaktierbar sind. Im Falle der in direkten Kontaktierbarkeit muß das Tragelement zumind est im Bereich jedenfalls eines der Enden der Fiber optisch transparent sein. Ein solches Tragelement ist typischerweise Plattenförmig und seine Hauptflächen stehen orthogonal zu der Längserstreckung der Fiberelemente. Ein solches Bauteil kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß das als Lochplatte ausgebildete Tragelement durch Einführung der Fiberelemente oder der Endlosfiber in die Löcher der Lochplatte und subsequente Fixierung der Fiberelemente in den Löchern mit den Fiberelementen bestückt wird. Im Falle der Einführung von Endlosfibern muß selbstverständlich vor oder nach der Fixierung eine Schneideverfahrensstufe erfolgen. Ebenso ist es möglich, die Enden eines mittels einer Haltevorrich tung gehaltenen Bündels an Fiberelementen (oder Enden von Endlosfibern) in einen nicht ausgehärteten Werkstoff einzutauchen und dann die Aushärtung dur chzuführen. Auch kann das Tragelement aus den Fiberelementen herausgebildet werden, beispielsweise durch kontaktierende Fixierung in einem Bereich der Fiberelemente und Verschmelzen, Verschweißen, Verkle ben und dergleichen. Als Werkstoff für solche Trageelemente kommen grundsätzlich die gleichen Werkstoffe, wie vorstehend im Zusammenhang mit den Fiberelementen genannt in Frage. Es wird sich allerd ings in aller Regel empfehlen, das Tragelement optisch nicht transparent auszuführen, beispielsweise durch Zugabe von Pigmenten, und die Fiberelemente voll ständig durch das Tragelement hindurchgreifend auszu bilden. Hierdurch wird ein cross-talking optischer Signale reduziert.

Das Tragelement kann auch aus einem Wickeltragband ausgeführt sein. Hierbei handelt es sich um ein langes, bandförmiges elastisches Konstrukt, beispiel sweise aus einem thermoplastischen Elastomer, wie thermoplastisches Polyurethan (TPU), an oder in welchem ein Ende der Fiberelemente aufgebracht oder eingebettet wird. Dabei stehen die Fiberelemente or thogonal zur Längserstreckung des Wickeltragbandes.

Sodann wird das Wickeltragband beispielsweise spi ralförmig aufgerollt oder mäanderartig im Zig-Zag ge falten, wodurch die Fiberelemente zu einem 2-dimensionalen Raster angeordnet werden.

Ein Bauteil kann lediglich ein Tragelement aufweisen. Dieses Tragelement kann im Prinzip an jeder Stelle, bezogen auf die Längserstreckung der Fiberelemente, angeordnet werden, beispielsweise an einem Ende der oder mittig der Fiberelemente. Ebenso ist es aber auch möglich zwei oder mehr Tragelemente im Rahmen eines Bauteils einzurichten. Dies empfiehlt sich insbeson dere im Falle sehr langer und/oder flexibler Fiberele mente. Wenn mehrere Tragelemente vorgesehen sind, empfiehlt es sich weiterhin, jedenfalls 2 Tragelemente an den gegenüberliegenden Enden der Fiberelementen vorzusehen.

In Hinblick auf eine Reduktion unspezifischer Bindung von Targetmolekülen direkt an den Oberflächen der Pro benmolekülfelder ist es vorteilhaft, wenn der Po lymerwerkstoff keine funktionalen Gruppen an seiner Oberfläche trägt, und, wenn die Probenmoleküle Nuk leinsäuren, insbesondere Oligonukleotide mit weniger als 300 Basen, sind, daß die Nukleinsäuren aus einer wäßrigen Lösung unter Bestrahlung mit UV-Licht an die Oberfläche des Polymerwerkstoffes gebunden sind.

Für Nukleinsäuren und andere Stoffgruppen ist eine kombinatorische Synthese auf den Fibern möglich. Selbstverständlich läßt sich ein erfindungsgemäßes Bauteil nicht nur analytisch sondern auch präparativ einsetzen, beispielsweise zur gezielten Abtrennung von Stoffen aus komplexen Gemischen, wie beispielsweise Blut. Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann mittels beispielsweise Detergentien mit einer selbstbenet zenden Oberfläche im Bereich der Mantelflächen ausges tattet sein. Dann benetzen Lösungen mit Targetmole külen die Mantelflächen selbsttätig. Es ist auch möglich "integrated devices" zu bilden, mittels einer Kombination von Bauteilen beispielsweise zur Proben vorbereitung, zur Analyse, sowie zur Auslesung. Im Rahmen der Herstellung der Endlosfibern und/oder der Fiberelemente kann auch die Polymerisation bzw. Aus formung des Polymerwerkstoffes in Gegenwart bzw. unter Zumischung der Probenmoleküle durchgeführt werden, so daß die Probenmoleküle im Volumen eingebaut werden, allerdings nur an der Oberfläche eines Fiberelementes zugänglich sind. Weiterhin ist die Bildung von Pa tronen, enthaltend zumindest ein erfindungsgemäßes Bauteil, möglich, wobei solche Patronen beispielsweise hintereinander schaltbar sind. Auf der Oberfläche der Bauteile oder in einer Patrone können Hilfsstoffe, wie Enzyme für PCR oder Ligation, aber auch interaktions vermittelnde Moleküle angesiedelt sein.

Ein erfindungsgemäßes Bauteil kann in ein fluidisches Bauteil, beispielsweise eine Pipettenspitze oder Düse eingebracht und fixiert sein. Mehrere erfindungsgemäße Bauteile können fluidisch in Serie oder parallel geschaltet sein. Ein Einbau in integrierte Analysen systeme ist möglich.

Bei Bauteilen, welche kooperative Effekte, beispiel sweise Stacking Effekte, ausnutzen, kann Förster- Energie-Transfer (FRET) ausgenutzt werden, indem eines der beiden immobilisierten Probenmolekülgruppen mitglieder, beispielsweise Oligonukleotide, mit einem Donor-Fluoreszenzfarbstoff und der andere mit einem Acceptor-Farbstoff markiert ist. Bei raümlicher Nähe, beispielsweise Stacking, kommt es nun zu Förster- Transfer, entsprechend einer Modulation der Emission swellenlänge. Die Ausnutzung von FRET macht es möglich, daß Targetmoleküle nicht markiert zu sein brauchen. Es kann auch eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit beispielsweise im Wege der Impedanzmes sung durchgeführt werden.

Weiterhin ist eine Detektion mittels festen und ggf. metallischen Partikeln, welche an Targetmoleküle ge bunden sind, möglich. Es erfolgt dann eine Messung beispielsweise mittels Scattering, evaneszenter Wel len, oder durch metallischen Niederschlag an einem Fiberelement (beispielsweise, wenn Nanokugeln aus Sil ber an den Targetmolekülen gebunden sind und foto graphische Emulsionen eingesetzt werden). Ggf. im Zusammenhang mit diesen Methoden kann SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) eingesetzt werden.

Aufgrund der Tatsache, daß das Bauteil aus ver schiedenen Einzelelementen zusammengesetzt ist, kann auch jedes Einzelne angesprochen werden. Hierbei kön nen komplette Spektren gefahren werden und eine weitergehende Aussage zur Zusammensetzung der spezi fischen Bindungspartner oder auch frei in der Lösung weilender Moleküle getroffen werden. Hierzu sind beispielsweise einsetzbar: Raman, SERS, NIR.

Bauteile können ausgelesen werden, indem das gesamte Bauteil belichtet wird oder einzelne Fiberelemente angesteuert werden (elektrisch, optomechanisch) über x-y-stage und z. B. Faseroptik oder optoelektrisch, indem fokussiertes Licht über ablenkbare Mikrospiegel eingekoppelt oder aufgenommen wird.

Fiberelemente können vor- und/oder nachbehandelt sein, indem Fiberenden coplanar geschliffen werden, Fiber enden zu Mikrolinsen verschliffen werden, Fibern zur Erzeugung von evaneszenten Wellen metallisch beschichtet werden, Fibern aufgerauht werden, Fibern einendig verspiegelt werden und so die Emission eingekoppelten Lichts wieder am gleichen (nicht ver spiegelten) Ende abgenommen und gemessen wird, op tional über die gleiche Optikvorrichtung. Die Signaleinkoppelung bzw. Modulation kann verstärkt wer den, indem ein modulierender bzw. reflektierender Stoff in Lösung in die Fiberzwischenräume eingebracht wird. Dieser Stoff kann aber dort auch als Festkörper vorliegen.

Alle vorstehenden Ausführungen gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungs gemäßen Verwendungen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsformen darstellenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 Immobilisierung von zwei verschiedenen Nukleinsäurespezies auf einer Endlosfiber

Die grundsätzliche Vorgehensweise der Immobilisierung ist wie folgt. Es wird ein Oligonukleotidpaar in eine Crosslink-Lösung enthaltend 1 M NaCl, 0,2 M MgCl₂ und 0,3 M Tris, pH 8, in einer (Gesamt-) Konzentration von 10 nM eingebracht. In einer Vorrichtung wird eine PS- Endlosfiber von 80 µm Durchmesser, welche auf übliche Weise extrudiert wurde, von einer Vorratsrolle durch ein Quarzglasrohr mit einem Innendurchmesser von 1 mm und einer Länge von 1 m durchgeleitet, dessen Enden offen und nach oben gebogen sind, wobei an einem Ende des Rohres ein zusätzlicher Ablaufstutzen und am anderen Ende ein zusätzlicher Zulaufstutzen angebracht sind. Der Zulaufstutzen wird mit einer Schlauchpumpe verbunden, die mit einem Vorratsbehälter in Verbindung steht, in welchem die Oligonukleotidlösung bevorratet wird. Die Endlosfiber wird am Austrittsende aus dem Quarzglasrohr auf eine Auffangrolle aufgespult, die mit einem Schrittschaltmotor angetrieben wird. In das Quarzglasrohr wird die Oligonukleotidlösung einge bracht und das Quarzglasrohr wird mit einer darüber angebrachten UV-Lampe mit einer Hauptemission bei 254 nm bestrahlt. Dabei wird die Drehzahl der Auf fangspule so eingestellt, daß eine Verweildauer jedes Bereiches der Endlosfiber in der Oligonukleotidlösung in dem Quarzglasrohr von ca. 5 min. eingerichtet ist. Gleichzeitig wird der Volumenstrom der Oligonukleo tidlösung durch das Quarzglasrohr so eingestellt, daß innerhalb von ca. 5 min. ein vollständiger Austausch der Oligonukleotidlösung in dem Quarzglasrohr stattfindet. Verschiedene Endlosfibern werden so in verschiedenen Quarzglasrohren bzw. Reaktoren mit ver schiedenen Oligonukleotidpaaren beschichtet. Alterna tiv können verschiedene Abschnitte einer einzigen Endlosfiber, beispielsweise jeweils auf 10 m Länge, dadurch mit verschiedenen Oligonukleotidpaaren beschichtet werden, daß die Oligonukleotidlösung in dem Quarzrohr entsprechend der gewünschten Abschnit tlänge und unter Berücksichtigung der Vorschubgesch windigkeit der Endlosfiber durch das Quarzglasrohr ausgetauscht wird. So können ggf. auf einer einzigen Endlosfiber sehr viele verschiedene Spezifitäten erzeugt werden.

Als Probenpaare werden beispielsweise eingesetzt:
Paar a) wt-Oligo (T)35-CTACCC (linker Arm) und wt- Oligo CTACAG-(T)35 (rechter Arm);
Paar b) mt-Oligo (T)35-CTACCA (linker Arm) und wt- Oligo CTACAG-(T)35 (rechter Arm).

Angaben stets von 5' zu 3'. Generell wird vorteilhaf terweise so gearbeitet, daß ein Oligonukleotid eines Paares am 5' Ende und das andere am 3' Ende immobilis iert ist.

Ein Bauteil aufweisend die beiden vorstehenden Proben paare wurde getestet durch Inkubation des Bauteils mit einer Lösung enthaltend ein wt-Oligonukleotidtarget der Sequenz Biotin-CTGTAGGGGTAG. Nach Streptavidin- Peroxidase-Konjugatbildung wurde colorimetrisch analysiert. Dabei zeigte sich sich eine Hybridisierung nur an dem Fiberelement mit dem Probenpaar A. Ein mt- Oligonukleotidtarget der Sequenz Biotin-CTGTAGTGGTAG band dagegen nur an dem Fiberelement mit dem Probenpaar B. Kontrollversuche mit wt linker Arm, mt linker Arm oder wt rechter Arm alleine waren negativ, i. e. nur bei kooperativer Interaktion der beiden Oli gonukleotide eines Probenpaares mit dem Target ist eine Hybridisierung feststellbar. Weiterhin entsteht kein Signal, wenn bei Hybridisierung auf der Targetse quenz eine Lücke von 1 oder mehr Nukleotiden zwischen rechtem und linkem Arm vorliegt.

Beispiel 2 Immobilisierung von Nukleinsäuren auf einer Glas Endlosfiber

Eine Endlosfiber aus Glas wird zunächst durch eine Silanisierungslösung geführt, und dabei aminosilanis iert. Ansonsten wird wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, daß die Lösung in dem Reaktor einen aminospezifischen chemischen Crosslinker, beispiel sweise FDC, enthält und die Oligonukleotide aminomodi fiziert sind. Eine Bestrahlung ist nicht notwendig.

Beispiel 3 Zusammenfügen von Fiberelementen zu einem Bauteil durch mäanderförmiges Verlegen

Eine Endlosfiber mit 200 µm Durchmesser und 1000 m Länge, die an 1000 äquidistanten verschiedenen Längenabschnitten (von 1 m Länge) mit unterschiedli chen Oligonukleotidpaaren beschichtet ist, wird gegen läufig über zwei einander gegenüberliegenden Reihen mit je 100 Führungshaken gewunden, so daß die Über gangsstellen zwischen den verschiedenen Längenab schnitten bei den Führungshaken zu liegen kommen. Die Fiber ist dann letztendlich mäanderförmig verlegt, wobei die verschiedenen Längenabschnitte zueinander parallel angeordnet sind. Die verschiedenen Längenab schnitte werden dann ggf. in Richtung der Mäanderebene zum Anliegen aneinander gebracht und die so entste hende dichte Lage an Längenabschnitten wird dann mit einer Abdeckfolie belegt. Es entsteht eine Lage von 20 mm Breite und 1 m Länge. Dies wird mit weiteren Längenabschnitten der Endlosfiber oder einer anderen Endlosfiber 99mal wiederholt, wobei die entstehenden Lagen unter jeweiliger Zwischenschaltung einer Abdeck folie aufeinander gestapelt werden. Es entsteht ein 100 × 100 Raster, in einer Ebene orthogonal zur Läng serstreckung der Längenabschnitte betrachtet. Die Deckfolien werden in Längsrichtung herausgezogen, ohne Verschiebung von Längenabschnitte und ein ver dichtender Druck wird aufgebracht. Es entsteht ein im wesentlichen quadratisches 100 × 100 Raster in dichter Packung. Sodann wird zur mechanischen Stabilisierung der Positionen der Längenabschnitte zueinander eine Stützhülse, beispielsweise als Band, um das Raster angebracht und die Bereiche bei den Führungshaken durch zwei Schnitte in Ebenen orthogonal zu der Läng serstreckung der Längenabschnitte entfernt. Durch ort sselektive selektive Lichteinkoppelung an einem so entstandenen Längenabschnitte und Messung des erhal tenen Signals an dem anderen so erhaltenen Ende er folgt eine Bestimmung von Position eines Längenabschnittes und hierzu zugeordnetem Oligonukleo tidpaar. Schließlich werden in Richtung orthogonal zur Längserstreckung Blöcke einer Höhe von 1 mm ab geschnitten, wobei nicht ganz 1000 Biochips gleichen Aufbaus erhalten werden.

Beispiel 4 Zusammenfügen von Fiberelementen durch Webtechnologie

Endlosfibern, wie in Beispiel 3 eingesetzt, werden entsprechend einem Schußfaden zwischen Kettfäden mäanderförmig eingewebt. Als Kettfäden dienen nicht mit Nukleinsäuren beschichtete Fibern. Es entsteht gleichsam ein flächiges Textil mit zueinander parallel angeordneten Längenabschnitten. Eine Mehrzahl solcher flächigen Textile werden aufeinander gestapelt und gehalten, wobei dann die Kettfäden herausgezogen wer den. Dabei oder danach wird eine Verdichtung durchge führt und es entsteht ein Raster gemäß dem Beispiel 3. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können auch mit Nukleinsäuren versehene Fibern als Kettfäden eingesetzt sein (dann wird es sich um Fibern von un terschiedlichen Endlosfibern mit jeweils nur einem Oligonukleotidpaar handeln) und die Schußfäden durch nicht mit Oligonukleotiden beschichtete Fiber gebildet sein.

Beispiel 5 Zusammenfügen von Fiberelementen mittels Tragelement

Eine Endlosfiber entsprechend Beispiel 3 wird durch eine Mehrzahl von thermoplastischen Lochplatten hin- und hergefädelt, wobei die Übergangsstellen der verschiedenen Längenabschnitte bei den Umkehrpunk ten der ersten und der letzten Lochplatte zu liegen kommen. Zwischen der ersten und der letzten Lochplatte angeordnete Lochplatten sind in Richtung der Längser streckung der Längenabschnitte gegeneinander beispiel sweise mittels Abstandhaltern fixiert, wobei jeweils Paare von Lochplatten gebildet werden (zwischen den Paaren von Lochplatten können ebenfalls (kürzere) Ab standshalter angeordnet sein, die Lochplatten benach barter Paare können aber auch unmittelbar aneinander anstoßen). Durch Wärmeeinwirkung und/oder mechanische Druckkräfte auf die Lochplatten in Richtungen der Hauptebene der Lochplatten werden die Längenabschnitte in jeder Lochplatte gleichsam eingeschrupft so darin fixiert. Sodann werden Schnitte zwischen den Lochplat ten benachbarter Paare angebracht. Die Außenflächen der Lochplatten der so erhaltenen Konstrukte werden poliert, so dann die Enden der Fiberelemente coplanar mit den Außenflächen der Lochplatten sind. Die Loch platten können aus einem lichtundurchlässigen Werkstoff bestehen. Das erhaltene Konstrukt kann mit einer lichtundurchlässigen Hülse ausgestattet werden. Die Lochplatten können Zu- und/oder Ablauföffnungen für Fluide, beispielsweise Analysate, aufweisen.

Beispiel 6 Herstellung eines planaren Biochips mit zwei verschiedenen Nukleinsäurespezies in einem Feld

Es wird grundsätzlich wie in Beispiel 1 verfahren mit dem Unterschied, daß in verschiedene Felder eines im wesentlichen planaren Trägers jeweils 5 µl von ver schiedene Nukleotidpaare enthaltenden verschiedenen Lösungen aufgetropft wird. Sonstige Lösungsbestand teile sowie UV Bestrahlung entsprechen ebenfalls Beispiel 1. Sodann erfolgt eine Hybridisierung mit biotinyliertem Target. Ein Nachweis des Biotin-Targets erfolgt über eine Enzymkonjugatbildung und chemilumi neszentes Substrat und CCD-Messung oder ein unlösli ches Reaktionsprodukt von TMB und violettem Farbniederschlag.

Beispiel 7 Stabilisierung der Stacking Interaktion

Die Stacking Interaktion läßt sich weiter stabilis ieren, wenn der rechte Arm 5'-phosphoryliert ist und die Kontaktierung mit dem Target in Gegenwart von Li gase erfolgt. Dabei werden die beiden Oligos eines Probenpaares miteinander verknüpft.

Beispiel 8 Durchführung einer Messung mit einem er findungsgemäßen Bauteil

Ein erfindungsgemäßes Bauteil wird mit einem Analysat enthalten ein Gemisch aus fluoreszenzmarkierten Oli gonukleotiden unter Hybridisierungsbedingungen kontak tiert. Einige der Oligonukleotide des Analysats weisen dabei Komplementarität zu einigen an dem Bauteil immo bilisierten Oligonukleotidpaaren auf. Das Analysat verteilt sich aufgrund von Kapillarkräften selbsttätig innerhalb des Bauteils, wobei Oligonukleotide des Ana lysats, welche komplementär zu immobilisierten Oli gonukleotidpaaren sind, im Wege der Hybridisierung an dem Bauteil bzw. den respektiven Fiberelementen gebun den werden. Es folgt eine Waschverfahrenstufe mit Waschpuffer, wobei nicht hybridisierte Oligonukleotide des Analysats ausgewaschen werden. Dann wird eine Stirnseite des Bauteils mit einer zur Anregung des Fluoreszenzfarbstoffes geeigneten Wellenlänge bestrahlt. An der gegenüberliegenden Seite wird eine Detektion von Signalen bei der Emissionswellenlänge des Fluoreszenzfarbstoffes durchgeführt, und zwar mit Ortsauflösung in Richtungen der Ebene der Stirnfläche mittels eines CCD Elements. Auch der Einsatz eines Scanners und/oder eines Photomultipliers ist möglich. Eine Auswertung erfolgt unter Berücksichtigung der Positionen der Fiberelemente und der jeweils daraus emittierten Signale.

Beispiel 9 kooperative Protein Bindung

Die Antigenbindungsstelle eines Antikörpermoleküls (equivalent eines Fab Fragments) wird durch die end ständigen Teile einer leichten und schweren Protein kette gebildet. Diese binden kooperativ ein Antigen, indem beide Ketten sowohl untereinander als auch mit dem Antigen in Wechselwirkung treten. Die Bindung ent steht dabei nur, wenn beide Ketten untereinander in einer bestimmten Konformation vorliegen und mite inander interagieren können, wobei die Antigenbindung durch einen Konformationswechsel und Interaktion bei der Ketten weiter verstärkt wird. Das gleiche gilt für Proteinketten, z. B. in Enzymen, die so in Überstruk turen gefaltet sind, daß z. B. eine Substrattasche ent steht. Diese Tasche wird dabei oft von unterschied lichen Proteinketten gebildet. Das Substrat tritt oft zunächst nur unter geringen Wechselwirkungskräften mit dem Protein in Kontakt. Dieser erste Kontakt wird durch kooperative Effekte und Konformationsänderung so weit verstärkt ("induced fit"), daß es stark gebunden und ggf. umgesetzt wird. Der umgekehrte Fall der Ablösung der Endprodukte wird dabei ebenfalls oft durch Aufhebung der Kooperationseffekte erzielt.

Kooperationseffekte können in Analysesystemen, deren Sensorelemente aus Proteinen oder Peptiden bestehen, ausgenutzt werden, indem eine oder mehrere Aminosäure ketten in einem Sensorelementfeld immobilisiert wer den, z. B. bei der Verwendung von zwei Ketten eine leichte und eine schwere Kette eines Antikörper moleküls. Durch verschiedene Kombinationen von Ein zelketten wird eine hohe Anzahl von Spezifitäten mit einer relativ geringen Anzahl von Einzelsensoren erzielt.

Beispiel 10 dynamische Adressierung

Unterschiedliche Endlosfibern werden aus einem Po lymergranulat extrudiert, wobei unterschiedliche Quantum-Dots (mit unterschiedlichen Wellenlängen charakteristika) in verschiedenen Vorlagen an Granu latmasse eingemischt sind. Auf diese Weise erfolgt eine eindeutige Codierung der jeweilig hergestellten Endlosfibern. Die Endlosfibern werden, wie vorstehend beschrieben jeweils mit unterschiedlichen Proben molekülspezies bzw. Probenmolekülspeziesgruppen beschichtet, wobei eine Zuordnung zwischen Codierung und Probenmolekülspezies-/-gruppen erfolgt. Sodann wird auf ebenfalls vorstehend beschriebene Weise aus mehreren unterschiedlichen Endlosfibern ein Bauteil zusammengesetzt. Herstellerseitig oder vor dem Einsatz des Bauteils beim Anwender wird mittels Spektralana lyse der einzelnen Fiberelemente eine räumliche Zuord nung der örtlichen Position der jeweiligen Fiberelemente mit ihrer jeweiligen Codierung getrof fen. Mit der bekannten Zuordnung der Codierungen und den Probenmolekülspezies-/-gruppen erfolgt so letzten delich deren Zuordnung zu räumlichen Positionen. Im Ergebnis braucht im Herstellungsprozeß nicht auf ex akte Positionierung der Fiberelemente geachtet zu werden.

Beispiel 11 Detektion mittels FRET

Ein Fiberelement wird mit Probenmolekülen belegt, welche bei Kontakt mit dem Spezifizierten Target molekül eine kooperative Wechselwirkung eingehen. Die Kooperationspartner sind dabei mit jeweils einem Donor und einem Akzeptor für FRET ausgestattet. Bei Bindung des Targetmoleküls tritt eine räumliche Nähe des Donor-/Akzeptor-Paares ein, die bei optischer Kontak tierung mit der Anregungswellenlänge zu FRET führt. Dieser Aufbau macht eine Markierung der Target moleküle, beispielsweise mit Farbstoffen, sowie eine Waschstufe überflüssig.

Claims

1. Bauteil mit einem Träger und mit zumindest einem auf dem Träger in definierter Anordnung angeordneten Probenmolekülfeld, wobei das Probenmolekülfeld Proben moleküle zumindest einer Probenmolekülspezies trägt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Probenmolekülfeld zumindest zwei Proben molekülspezies einer Probenmolekülspeziesgruppe trägt, wobei Gruppenelemente der Probenmolekülspeziesgruppe gemeinsam unter Ausbildung von kooperativen Effekten an ein definiertes Targetmolekül binden.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Probenmolekülfeldern eingerichtet ist, wobei eine Zuordnung zwischen den geometrischen Positionen der Probenmolekülfelder innerhalb des Bau teils und den Probenmolekülspezies der Proben molekülfelder getroffen ist,

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Probenmoleküle der Probenmolekülspe ziesgruppen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus "Nukleinsäuren, DNA, RNA, PNA, Aptamere, Proteine, Peptide, Saccharide sowie Mischungen dieser Probenmoleküle".

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenmolekülspezies Nuklein säuren sind, und daß die Kooperationseffekte Stacking Effekte der Nukleinsäuren bei Anlagerung eines Target moleküls, insbesondere einer Targetnukleinsäure, sind, wobei Stacking Effekte optional durch Zugabe von Li gase zu einer Targetnukleinsäuren enthaltenden Lösung zusätzlich stabilisierbar sind.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Probennukleinsäuren einen Hybridisier ungsbereich und einen Spacerbereich aufweisen, wobei der Hybridisierungsbereich über den Spacerbereich an einem Probenmolekülfeld immobilisiert ist.

6. Bauteil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Probennukleinsäuren einer Probenmolekül speziesgruppe paarweise einander zugeordnet und über einen einzigen Spacerbereich miteinander verbunden sind, wobei die Probennukleinsäuren über eine Bindungsstelle im Spacerbereich an dem Proben molekülfeld immobilisiert sind.

7. Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hybridisierungsbereich 3 bis 25 Nukleinsäurenbasen umfaßt.

8. Bauteil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Spacerbereich aus Nukleinsäurenbasen, insbesondere Thymidin, gebildet ist, und daß der Spacerbereich 5 bis 80, vorzugsweise 25 bis 40, Nukleinsäurebasen umfaßt.

9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Probenmolekülfeld jeweils aus einem Fiberelement einer Mehrzahl von Fiberelemen ten gebildet ist, wobei die Probenmoleküle an Man telflächen der Fiberelemente immobilisiert sind, und wobei die Fiberelemente mittels eines Tragelements in radialer Richtung, bezogen auf die Fiberelemente, gegeneinander beabstandet fixiert oder in Linienkon takt zueinander gebündelt sind.

10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberelemente parallel zueinander als Fiberelementebündel angeordnet sind.

11. Bauteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Fiberelemente optische Fiberelemente sind.

12. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberelemente aus einem Po lymerwerkstoff gebildet sind, welcher vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehen aus "Polyeth ylen (PE), Polycarbonat (PC), Polyvinylchlorid (PVC), Polystyrol (PS), Polytherephthalat(PETP), Polyether sulfon (PES), Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylenoxid (PPO), Polyphenylensulfid (PPS), Polybuthylen- terephthalat (PBT, Polyoxymethylen (POM), Polysulfon (PSU), Polyetherimid (PEI), Polyamid(PA) und Mischungen sowie Copolymere der Mono mere solcher Polymere", insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus "Polycarbonat (PC), Poly vinylchlorid (PVC), Polystyrol und Mischungen sowie Copolymere der Monomere solcher Polymere".

13. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen zumindest eines Endes der Fiberelemente, vorzugsweise beider Enden, optisch kontaktierbar sind.

14. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberelemente einen Durch messer im Bereich von 0,01 µm bis 1000 µm aufweisen.

15. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberelemente eine Länge im Bereich von 0,1 µm bis 100 mm aufweisen.

16. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberelemente in einer Dichte von 1 bis 10⁷ Fibern/cm², bezogen auf eine radiale Querschnittsebene der Fiberelemente, gepackt sind.

17. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement an einem Ende der Fiberelemente angeordnet und die Enden der Fiberele mente umfassend ausgebildet ist, wobei die Stirn flächen der umfaßten Fiberelemente direkt oder indirekt optisch kontaktierbar sind.

18. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Enden der Fiberelemente jeweils ein Tragelement angeordnet ist.

19. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement zwischen den bei den Enden der Fiberelemente, beispielsweise mittig, angeordnet ist.

20. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement als Lochplatte ausgebildet ist.

21. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Tragelement als Wickeltragband ausgebildet ist.

22. Bauteil nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Polymerwerkstoff keine funk tionalen Gruppen an seiner Oberfläche trägt, daß die Probenmoleküle Nukleinsäuren sind, und daß die Nukleinsäuren aus einer wäßrigen Lösung unter Bestrahlung mit UV-Licht an die Oberfläche des Po lymerwerkstoffes gebunden sind.

23. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22, mit den folgenden Verfahrenstufen:

a) es wird ein Träger, vorzugsweise ein planarer Träger, hergestellt,
b) auf dem Träger werden in definierter Anordnung Pro benmolekülfelder eingerichtet,
c) auf jedem Probenmolekülfeld werden Probenmoleküle einer jeweils selektierten, unterschiedlichen Proben molekülspeziesgruppe immobilisiert, wobei Gruppenele mente jeder Probenmolekülspeziesgruppe gemeinsam unter Ausbildung von kooperativen Effekten an ein definiertes Targetmolekül binden,
d) optional wird das Produkt aus Stufe c) einer Wasch verfahrenstufe zugeführt,
e) jedem Probenmolekülfeld wird die in Stufe c) immo bilisierte Probenmolekülspeziesgruppe zugeordnet.

24. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22, mit den folgenden Verfahrensstufen:

a) es wird zumindest eine Endlosfiber hergestellt,
b) die Endlosfiber wird durch jeweils ein Fluid en thaltend als Probenmoleküle zumindest zwei Elemente einer selektierten Probenmolekülspeziesgruppe geleitet,
c) die Probenmoleküle der Probenmolekülspeziesgruppe werden an der Endlosfiber immobilisiert,
d) optional wird die Endlosfiber zumindest einer Waschverfahrensstufe zugeführt,
e) der Endlosfiber wird die in Stufe c) an der Fiber immobilisierte Probenmolekülspeziesgruppe zugeordnet,
f) von verschiedenen Endlosfibern oder von ver schiedenen Abschnitten einer Endlosfiber wird jeweils ein Fiberelement abgeschnitten und die Fiberelemente verschiedener Endlosfibern oder Abschnitte werden ge bündelt und fixiert.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, wobei die An zahl der Elemente der Probenmolülspeziesgruppe 2 beträgt.

26. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22 in einem Verfahren zur Detektion von Target molekülen, mit folgenden Verfahrenstufen:

a) dem Bauteil wird eine Lösung mit prospektiven Tar getmolekülen zugeführt unter Bedingungen, bei welchen Targetmoleküle an Probenmoleküle binden,
b) gleichzeitig mit Stufe a) oder hieran anschließend wird das Bauteil einer Nachweisverfahrensstufe zuge führt, in welcher Bindungsereignisse aus Stufe a) de tektierbar sind, und wobei eine Detektion mit lateraler Ortsauflösung erfolgt, und wobei die Ortsau flösung zumindest so hoch ist, wie der Abstand zweier benachbarter Probenmolekülfelder,
c) gleichzeitig mit Stufe b) oder hieran anschließend erfolgt eine Zuordnung detektierter Signale zu den Probenmolekülfeldern, von welchen die Signale erhalten werden.

27. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22 in einem Verfahren zur Detektion von Target molekülen, wobei optisch kontaktierbare Stirnflächen der Fiberelemente optisch mit einem Detektor verbunden sind, welcher sensitiv für optische Strahlung einer Nachweiswellenlänge ist, und wobei Signale des Detek tors jeweils den Fiberelementen zugeordnet sind, mit folgenden Verfahrenstufen:

a) dem Bauteil wird eine Lösung mit prospektiven Tar getmolekülen zugeführt unter Bedingungen, bei welchen Targetmoleküle an Probenmoleküle binden,
b) gleichzeitig mit Stufe a) oder hieran anschließend wird das Bauteil mit einer eine Nachweiswellenlänge anregende Primärstrahlung bestrahlt,
c) gleichzeitig mit Stufe b) oder hieran anschließend erfolgt eine Auslesung der Signale des Detektors und Aufbereitung sowie Abspeicherung der Signale.

28. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 22 in einem Verfahren zur präparativen Vorberei tung einer Lösung enthaltend eine Mischung von Stof fen, wobei das Bauteil Probenmoleküle trägt, die an aus der Mischung der Stoffe abzutrennende Target moleküle binden, mit den folgenden Verfahrenstufen:

a) die Lösung wird dem Bauteil zugeführt, wobei die abzutrennenden Targetmoleküle an Probenmoleküle gebun den und so immobilisiert werden,
b) danach wird die von abzutrennenden Targetmolekülen befreite Lösung von dem Bauteil abgeführt und ggf. einer weiteren Prozessierung, beispielsweise einem Verfahren nach einem der Ansprüche 26 oder 27, zugeführt.

29. Verfahren zur Interaktionsanalyse, wobei zumindest ein Probenmolekül an einem Festkörper immobilisiert ist und wobei bei Vorliegen eines zum Probenmolekül komplementären Targetmoleküls in einer mit dem Fest körper in Kontakt gebrachten Lösung ein Kooperation seffekt unter Einbindung verschiedener Teile eines Probenmoleküls oder verschiedener Probenmoleküle im Zuge der Interaktion zwischen Probenmolekül und Tar getmolekül stattfindet und die Interaktion energetisch stabilisiert.