DE102004008241B4 - Enzyme-based nanolithography - Google Patents

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01Q70/16Probe manufacture
    • G01Q70/18Functionalisation

Abstract

Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen, umfassend das Inkontaktbringen der Sonde mit einem flachen Träger, auf dem Enzyme oder Effektormoleküle mittels eines polyvalenten Bindungspartners A an einen Bindungspartner B auf dem Träger gebunden sind, wobei zumindest ein Teil der Sonde die gleichen Bindungspartner B aufweist, und wobei das Molekül, das aus dem Enzym oder Effektormolekül und dem polyvalenten Bindungspartner A besteht, im nicht an den Bindungspartner B gebundenen Zustand mindestens zwei freie Bindungsstellen für den Bindungspartner B aufweist.method for the targeted coating of a probe with enzyme or effector molecules, comprising contacting the probe with a flat support the enzymes or effector molecules by means of a polyvalent binding partner A to a binding partner B on the carrier are bound, wherein at least a portion of the probe the same binding partner B, and wherein the molecule, that from the enzyme or effector molecule and the polyvalent binding partner A exists in the state not bound to the binding partner B at least two free binding sites for having the binding partner B.

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Figure 00000001

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein ein enzymgestütztes Verfahren zur Nanolithografie und Vorrichtungen zur Durchführung solcher Verfahren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen sowie ein lithografisches Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Trägers, wobei durch eine lokal begrenzte enzymatische Aktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche diese chemisch oder physikalisch modifiziert wird, und zwar durch Positionierung eines an einer Sonde immobilisierten Enzyms oder Effektormoleküls in die unmittelbare Nähe der Oberfläche. Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen wird erreicht, dass die Sonde Enzyme bzw. Effektormoleküle vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 100 nm, vorzugsweise weniger als 50 nm und besonders bevorzugt in einem Bereich von 10 nm oder weniger aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Sonden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind, sowie insbesondere Rastersondenmikroskope, die erfindungsgemäße Sonden enthalten. Die erfindungsgemäßen Verfahren, Oberflächen, Träger, Vorrichtungen, Sonden und Rastersondenmikroskope können zur Herstellung von beispielsweise Nanochips und Microarrays sowie zur Speicherung und/oder Analyse von Daten, zum Einsatz in der Zellbiologie oder zur Durchführung von Mess- und Untersuchungsverfahren wie beispielsweise in der Forensik sowie der chemischen oder biologischen Analytik verwendet werden.The The present invention relates generally to an enzyme-assisted method for nanolithography and apparatus for carrying out such methods. Especially The present invention relates to a method for targeted coating a probe with enzyme or effector molecules as well as a lithographic Method for structuring a surface of a carrier, wherein by a localized enzymatic activity in the immediate vicinity of the surface of these chemically or physically modified by positioning an immobilized on a probe enzyme or effector molecule in the immediate proximity the surface. By the inventive method for the targeted coating of a probe with enzyme or effector molecules ensures that the probe enzymes or effector molecules, preferably in a range of less than 100 nm, preferably less than 50 nm, and more preferably in a range of 10 nm or less having. The present invention further relates to probes which according to the inventive method available are, and in particular scanning probe microscopes, the probes according to the invention contain. The methods according to the invention, Surfaces, Carrier, Devices, probes and scanning probe microscopes can be used for Production of, for example, nanochips and microarrays as well as for Storage and / or analysis of data for use in cell biology or to carry out of measurement and investigation methods such as in forensics and chemical or biological analysis.

In der vorliegenden Anmeldung wird innerhalb des Textes auf verschiedene Publikationen unter Angabe von Autor und Datum Bezug genommen. Vollständige Literaturangaben zu diesen Publikationen können auch am Ende der Beschreibung unmittelbar vor den Ansprüchen gefunden werden. Die Offenbarungen dieser Publikationen werden hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in diese Anmeldung einbezogen, um vollständiger den Stand der Technik zu beschreiben, der den Fachleuten zum Zeitpunkt der hier beschriebenen und beanspruchten Erfindung bekannt war.In The present application is within the text to various Publications with indication of author and date reference. Complete references to these publications also found at the end of the description immediately before the claims become. The disclosures of these publications are hereby incorporated by Reference in its entirety to this application complete to describe the state of the art to the professionals at the time the invention described and claimed herein was known.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Herkömmliche Lithografieverfahren, so wie die Fotolithografie, werden verwendet, um Strukturen von einer Größe von einigen hundert Nanometern herzustellen, sogar unter solchen Bedingungen, wie sie in den Fertigungsstrassen der Halbleiterindustrie vorherrschen. Es gibt einen konstanten Bedarf für eine Erhöhung der Auflösung bei solchen Verfahren. Mögliche Lösungswege sind die Verwendung von kürzeren Wellenlängen (UV-Licht) oder anderen Medien, wie in der Elektronenlithografie. Es ist jedoch nicht klar, wie Strukturgrößen von mehreren zehn Nanometern oder auch nur von einigen Nanometern durch eine bloße Verbesserung der gegenwärtig gebräuchlichen Technologien routinemäßig hergestellt werden können.conventional Lithography techniques, such as photolithography, are used around structures of a size of a few hundred nanometers, even under such conditions, as they prevail in the production lines of the semiconductor industry. There is a constant need for increasing the resolution at such procedures. Possible solutions are the use of shorter ones wavelength (UV light) or other media, as in electron lithography. However, it is not clear how feature sizes of tens of nanometers or even just a few nanometers through a mere improvement the present common Technologies are routinely produced can.

Eine mögliche alternative Technik, die sich unter Laborbedingungen als erfolgreich erwiesen hat, ist die Oberflächenmodifikation durch Rastersondentechniken. Beispielsweise können weiche Polymerfilme durch mechanische Interaktion einer Rasterkraftmikroskopspitze modifiziert werden (Wendel, Lorenz et al. 1995). Auch die Dip-Pen-Technologie (Piner, Zhu et al. 1999), bei der eine geeignete Tinte auf einer AFM-Spitze adsorbiert und dann lokal auf eine Probe aufgebracht wird, hat großes Interesse auf sich gezogen.A possible alternative technique that is successful under laboratory conditions has proved, is the surface modification through grid-end techniques. For example, soft polymer films may pass through modified mechanical interaction of an atomic force microscope tip (Wendel, Lorenz et al., 1995). The dip-pen technology (Piner, Zhu et al. 1999), in which a suitable ink on an AFM tip adsorbed and then applied locally to a sample, has great interest pulled yourself.

In Zukunft wird nicht nur ein Bedarf für die Oberflächenstrukturierung in sehr kleinem (Nanometer-) Maßstab, wie von der Halbleiterindustrie vorgebracht, bestehen, sondern auch für die chemische Oberflächenmodifikation z.B. in biotechnologischen Anwendungen. Die Miniaturisierung von Assays wie DNA-Chips oder Protein-Chips wird kleinere, chemisch exakt definierte Strukturen erfordern. Eine Übersicht über die bekanntesten Biochip-Systeme wird von Bowtell in Nature Genetics Supplement 21 (1999), 25-32, gegeben.In The future will not only be a need for surface structuring in very small (nanometer) scale, as put forward by the semiconductor industry, but also for the chemical surface modification e.g. in biotechnological applications. The miniaturization of Assays such as DNA chips or protein chips become smaller, chemical require exactly defined structures. An overview of the most popular biochip systems will be available by Bowtell in Nature Genetics Supplement 21 (1999), 25-32.

Es gibt auch einen starken Bedarf nach der Miniaturisierung von diagnostischen Geräten, von Biosensoren oder der Herstellung von chemischen „Nanoreaktoren" (lokale Bereiche, die gewisse chemische Aufgaben erfüllen können). Wenn es auch vorstellbar ist, dass konventionelle Techniken wie die UV-Lithografie Auflösungen im Zehner-Nanometerbereich erreichen wird, so ist doch nicht klar, wie der Bedarf nach chemischen Modifikationen gedeckt werden soll.It There is also a strong need for miniaturization of diagnostic Devices, of biosensors or the production of chemical "nanoreactors" (local areas, that can perform certain chemical tasks). If so, too is that conventional techniques such as UV lithography resolutions in the Tens of nanometers, it is not clear how to meet the need for chemical modifications.

Enzyme wurden ebenfalls zur chemischen Oberflächenmodifikation beschrieben, z.B. durch Aufbringen mit einem Nanofountain Pen auf eine geeignete Oberfläche, wo ein Substrat, das von dem Enzym verdaut werden kann, fixiert wurde (Ionescu, Marks et al., 2003). Hier wurden allerdings bereits durch die Verfahrensbedingungen Oberflächenveränderungen durch selbstständige Veränderung des Substrats beobachtet. Ferner wurde das Enzym eher im Sinne eines „Etching" verwendet, d.h. des klassischen Ätzens der Oberfläche, während die enzymatische Aktivität eine untergeordnete Rolle spielte. In einer anderen Anwendung wurde im Medium präsente Phospholipase verwendet, um einen Lipidfilm zu modifizieren. Hier wurden lokale Störungen in der Ordnung des Lipidfilms, die von der mechanischen Interaktion einer Rastersondemikroskopspitze verursacht wurden, dazu verwendet, die Probe lokal zu verändern (Grandbois, Clausen-Schaumann et al. 1998). Verfahren zur gezielten enzymgestützten Strukturierung einer Oberfläche, die den Ansprüchen beispielsweise der Chip-Industrie und Nanobiotechnologie genügen, stehen bisher allerdings nicht zur Verfügung.Enzymes have also been described for chemical surface modification, eg, by applying a nanofountain pen to a suitable surface where a substrate capable of being digested by the enzyme has been fixed (Ionescu, Marks et al., 2003). Here, however, already by the process conditions surface changes were observed by independent change of the substrate. Furthermore, the enzyme was used rather in the sense of an "etching", ie the classical etching of the surface, while the enzymatic activity played a minor role.In another application, phospholipase present in the medium was used to modify a lipid film in the order of the lipid film, that of the mechanical Interaction of a scanning probe microscope tip was used to locally alter the sample (Grandbois, Clausen-Schaumann et al., 1998). However, methods for the targeted enzyme-based structuring of a surface, which satisfy the requirements of, for example, the chip industry and nanobiotechnology, are not yet available.

Die Druckschrift US 5,824,470 A offenbart ein Verfahren zur Beschichtung einer Spitze mit Enzym, wobei die Spitze mit einem Träger in Kontakt gebracht wird und das Enzym mittels eines Spacers an die Spitze gebunden wird.The publication US 5,824,470 A discloses a process for coating a tip with enzyme wherein the tip is contacted with a carrier and the enzyme is bound to the tip by means of a spacer.

Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, Oberflächen und Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, die den vorgenannten Anforderungen gerecht werden.Of the present invention, the technical problem underlying surfaces and To provide processes for their preparation, which are the aforementioned To fit in requirements.

Dieses technische Problem wird mit den in den Ansprüchen gekennzeichneten sowie in der nachfolgenden Beschreibung erläuterten erfindungsgemäßen Ausführungsformen gelöst.This technical problem is marked with those in the claims as well in the following description explained embodiments of the invention solved.

Die vorliegende Erfindung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen sowie ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Trägers, wobei mit dem Verfahren erreicht wird, dass durch eine lokal begrenzte enzymatische Aktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche, diese chemisch oder physikalisch modifiziert wird. Erfindungsgemäß kann das wesentliche Merkmal der lokalen enzymatischen Aktivität an der zu strukturierenden Oberfläche durch die kontrollierte Beschichtung einer Sonde mit wenigen oder gar nur einem Enzym oder Effektormolekül erreicht werden, wobei die Enzymaktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche vorzugsweise an- und abgeschaltet werden kann.The The present invention relates to a method for coating a probe with enzyme or effector molecules and a Method for structuring a surface of a carrier, wherein With the procedure that is achieved by a locally limited enzymatic activity close the surface, this is chemically or physically modified. According to the invention that essential feature of local enzymatic activity at the surface to be structured by the controlled coating of a probe with few or even only one enzyme or effector molecule can be achieved, wherein the enzyme activity close the surface preferably can be switched on and off.

Die vorliegende Erfindung umfasst die gezielte Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen, umfassend das Inkontaktbringen der Sonde mit einem flachen Träger, auf dem Enzyme oder Effektormoleküle mittels eines polyvalenten Bindungspartners A wie Streptavidin an einen Bindungspartner B wie Biotin auf dem Träger gebunden ist, wobei zumindest ein Teil der Sonde die gleichen Bindungspartner B, in diesem Falle Biotin, aufweist.The The present invention involves the targeted coating of a probe with enzyme or effector molecules, comprising contacting the probe with a flat support the enzymes or effector molecules by means of a polyvalent binding partner A such as streptavidin a binding partner B such as biotin is bound to the carrier, wherein at least a part of the probe has the same binding partner B, in this case Biotin.

Die Erfindung basiert auf dem Befund, dass sich unter Zuhilfenahme biologischer oder biologisch abgeleiteter Enzyme ein Verfahren zur gezielten lokalen, chemischen oder physikalischen Modifikation einer geeigneten Oberfläche erhalten lässt. Das Enzym wird dabei auf der Spitze eines Rastersondenmikroskops fixiert, wodurch die chemische oder physikalische Modifikation mit sehr hoher Auflösung durchgeführt werden kann, letztendlich auf der Basis einzelner Moleküle.The The invention is based on the finding that, with the aid of biological or biologically derived enzymes a method of targeted local, chemical or physical modification of a suitable surface receive. The enzyme is thereby on the tip of a scanning probe microscope fixed, whereby the chemical or physical modification with very high resolution can, ultimately based on individual molecules.

Das hierin beschriebene Verfahren kann auf ein breites Spektrum von Enzymmolekülen angewendet werden und ermöglicht daher eine Technologieplattform, die für verschiedene Anwendungen genutzt werden kann. Enzyme sind gebräuchliche Hilfsmittel in der Diagnostik und der Biotechnologie. Die wohl bekanntesten Anwendungen sind PCRs (Polymerase-Kettenreaktionen) oder ELISAs (enzyme linked immunosorbent assays). Sie haben sogar in Produkten des täglichen Hausgebrauchs Verwendung gefunden, z.B. als Waschmittelzusätze. Erfindungsgemäß kann in zukünftigen Anwendungen das riesige Wissen über Enzyme aus diesen Gebieten genutzt und auf verfügbare Enzyme und geeignete Substrate zurückgegriffen werden.The The method described herein can be applied to a wide range of enzyme molecules be applied and enabled therefore a technology platform suitable for various applications can be used. Enzymes are common tools in the Diagnostics and biotechnology. The most famous applications are PCRs (polymerase chain reactions) or ELISAs (enzyme linked immunosorbent assays). They even have in everyday products Home use, e.g. as detergent additives. According to the invention, in future Applications the huge knowledge about Used enzymes from these areas and available enzymes and appropriate Substrate used become.

Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Sonden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind, sowie insbesondere Rastersondenmikroskope, die erfindungsgemäße Sonden enthalten.The The present invention further relates to probes which are obtained by the method according to the invention available are, and in particular scanning probe microscopes, the probes according to the invention contain.

Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung Verwendungen der hier beschriebenen Verfahren, Oberflächen, Träger, Vorrichtungen, Sonden und Rastersondenmikroskope zur Herstellung von beispielsweise Nanochips und Microarrays sowie zur Speicherung und/oder Analyse von Daten, zum Einsatz in der Zellbiologie oder zur Durchführung von Mess- und Untersuchungsverfahren wie beispielsweise in der Forensik sowie in der chemischen oder biologischen Analytik.Finally, concerns the present invention uses the methods, surfaces, supports, devices described herein, Probes and scanning probe microscopes for the production of, for example Nanochips and microarrays as well as for storage and / or analysis data, for use in cell biology or for performing measurement and investigation procedures such as in forensics as well in chemical or biological analysis.

Die Abbildungen zeigen:The pictures show:

1: A. Eine Rasterkraftmikroskopspitze (Rasterelektronenmikrograph, Breite der pyramidenförmigen Spitze etwa 4 μm) wird an ihrem vordersten Ende mit einem Enzymmolekül (hellgrau) beschichtet durch Interaktion der am Enzym gebundenen Gruppen (mittelhellgrau, in diesem Fall Streptavidin, als Steckknopf dargestellt) mit den an der Spitzenoberfläche gebundenen Gruppen (dunkelgrau, in diesem Fall Biotin, doppelt konkav dargestellt). 1 : A. An atomic force microscope tip (scanning electron micrograph, width of pyramidal tip about 4 microns) is coated at its foremost end with an enzyme molecule (light gray) by interaction of the enzyme-bound groups (medium light gray, in this case streptavidin, shown as a plug button) with the the top surface bound groups (dark gray, in this case biotin, double concave).

Fig.B. Das Protein, d.h. Enzym ist mit einem Streptavidinmolekül verbunden (doppelt konkav dargestellter Komplex), der vier Bindungsstellen (Kanten) für den Liganden Biotin (als Steckknopf dargestellt) aufweist. Die Enzyme werden auf einem biotinilierten Träger fixiert (I). Die ebenfalls biotinilierte Rasterkraftmikroskopspitze wird mit der enzymbeschichteten Probe in Kontakt gebracht. Enzymmoleküle werden dann an die Spitze und an den Träger gebunden (II). Nach der Trennung der Spitze vom Träger werden etwa 50% der doppelt gebundenen Enzym-Moleküle an der Spitze verbleiben (III). Diese Vorgehensweise ermöglicht es, dass nur das vorderste Ende der Rasterkraftmikroskopspitze beschichtet wird.Fig.B. The protein, ie enzyme is connected to a streptavidin molecule (double concave complex), which has four binding sites (edges) for the ligand biotin (shown as a plug button). The enzymes are fixed on a biotinylated carrier (I). The biotinylated atomic force microscope tip is also brought into contact with the enzyme-coated sample. Enzyme molecules are then bound to the tip and to the carrier (II). After separating the top from the Carriers will retain about 50% of the double-bound enzyme molecules at the tip (III). This approach allows only the foremost end of the atomic force microscope tip to be coated.

2: Mögliche Reaktionsschemata. Die Abbildungen geben beispielhaft einige Reaktionsschemata wieder. Durch Einschalten zusätzlicher Effektormoleküle wie Co-Enzyme oder anderer Moleküle können natürlich beliebig komplizierte Reaktionsschemata erhalten werden. 2 : Possible reaction schemes. The figures exemplify some reaction schemes. By switching on additional effector molecules, such as coenzymes or other molecules, it is, of course, possible to obtain arbitrarily complicated reaction schemes.

Fig.A. Das Substrat (S) wird auf der Oberfläche fixiert und wird durch die enzymatische Aktivität löslich. S wird auf der Probe fixiert und das Enzym spaltet S, so dass Produkt P löslich wird und die Reste von S, die immer noch auf der Probenoberfläche sind, andere (chemische oder physikalische) Eigenschaften aufweisen als S.Fig.A. The substrate (S) is fixed on the surface and is passed through the enzymatic activity soluble. S is fixed on the sample and the enzyme cleaves S, leaving product P soluble and the remains of S that are still on the sample surface, have other (chemical or physical) properties than S.

Fig.B. Das Substrat (S) ist im Medium präsent und wird durch die Aktivität des Enzyms unlöslich. S wird im Medium aufgelöst und das Produkt P immobilisiert auf der Oberfläche durch chemische oder physikalische Interaktion.Fig.B. The substrate (S) is present in the medium and is affected by the activity of the enzyme insoluble. S is resolved in the medium and the product P immobilized on the surface by chemical or physical Interaction.

Fig.C. Das Substrat ist im Medium präsent. Das lösliche Produkt P modifziert dann chemisch die auf der Oberfläche vorhandenen Moleküle D. Das Substrat ist im Medium präsent. Das lösliche Produkt P reagiert mit einem Cofaktor B, so dass ein Komplex PB entsteht. Der Komplex PB kann nun die Oberfläche physikalisch modifizieren, etwa indem er sich auf der Oberfläche anlagert (analog Schema A).Fig.C. The substrate is present in the medium. The soluble Product P then chemically modifies those present on the surface molecules D. The substrate is present in the medium. The soluble Product P reacts with a cofactor B, leaving a complex PB arises. The complex PB can now physically modify the surface, for example, by attaching itself to the surface (analogous to Scheme A).

Fig.E. Das Substrat ist im Medium präsent. Das lösliche Produkt P reagiert mit einem Cofaktor B, so dass ein Komplex PB entsteht. Der Komplex PB kann nun die Oberfläche chemisch (analog Schema A) modifizieren.Fig.E. The substrate is present in the medium. The soluble Product P reacts with a cofactor B, leaving a complex PB arises. The complex PB can now chemically surface (analogous to Scheme A) modify.

Fig.F. Das Substrat ist im Medium präsent. Das lösliche Produkt P reagiert mit einem Cofaktor B, so dass eine Modifikation des Cofaktors zu B* erfolgt. Der modifizierte Kofaktor B* kann nun chemisch oder physikalisch die Oberfläche modifizieren.Fig.F. The substrate is present in the medium. The soluble Product P reacts with a cofactor B, leaving a modification of the cofactor to B *. The modified cofactor B * can now chemically or physically modify the surface.

3: Das Enzym alkalische Phosphatase wurde an einer Rasterkraftmikroskopspitze fixiert. Das Substrat BCIP war präsent im umgebenden Medium. 3 : The enzyme alkaline phosphatase was fixed to an atomic force microscope tip. The substrate BCIP was present in the surrounding medium.

Fig.A. Das Produkt der enzymatischen Reaktion bildet zusammen mit NBT einen nichtwasserlöslichen Komplex, der auf der Oberfläche ausfällt.Fig.A. The product of the enzymatic reaction forms one with NBT water-insoluble Complex on the surface fails.

Fig.B und C.Durch langsames Annähern der Rasterkraftmikroskopspitze bis zum direkten Kontakt mit der Oberflächen können beliebige Merkmale auf der Oberfläche erzeugt werden.Fig.B and C. By slowly approaching the atomic force microscope tip to direct contact with the surfaces can any features are generated on the surface.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description the invention

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde gemäß Anspruch 1 und ein lithografisches Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Trägers gemäß Anspruch 11 unter Verwendung einer gezielt beschichteten Sonde, erhältlich nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei durch eine lokal begrenzte enzymatische Aktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche, diese chemisch oder physikalisch modifiziert wird.The The present invention includes a method of targeted coating a probe according to claim 1 and a lithographic process for structuring a surface of a Support according to claim 11 using a targeted coated probe, available after the method according to claim 1, where by a localized enzymatic activity in the immediate Near the surface, this is chemically or physically modified.

Wie vorstehend erwähnt und in den Beispielen erläutert, wird ein Verfahren zur Modifikation einer geeigneten Oberfläche mit Hilfe von biologischen oder biologisch abgeleiteten Enzymmolekülen bereitgestellt. Die Enzymmoleküle werden in die unmittelbare Nähe der Probe gebracht und modifizieren diese durch Materialablagerung, Materialentfernung oder Modifikation von Probenmolekülen. Die wesentlichen Merkmale des Verfahrens bestehen darin, dass

  • – eine geeignete Oberfläche direkt oder indirekt durch die chemische Aktivität eines Enzyms modifiziert wird; und
  • – das Enzym relativ zur Probe so positioniert wird, dass die Modifikation nur lokal stattfindet; siehe beispielsweise 3.
As mentioned above and illustrated in the examples, a method of modifying a suitable surface by means of biological or biologically derived enzyme molecules is provided. The enzyme molecules are brought into close proximity to the sample and modify it by material deposition, material removal or modification of sample molecules. The essential features of the method are that
  • A suitable surface is modified directly or indirectly by the chemical activity of an enzyme; and
  • - The enzyme is positioned relative to the sample so that the modification takes place only locally; see for example 3 ,

Der hauptsächliche Vorteil dieser Idee liegt in der Nutzung der chemischen Aktivität eines Enzyms aus der Vielzahl verfügbarer Enzyme, deren Eigenschaften sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze macht. Dies erlaubt die Schaffung einer Technologieplattform für viele verschiedene Anwendungen.Of the primary Advantage of this idea lies in the use of the chemical activity of a Enzyme of the variety available Enzymes whose properties are the inventive method makes use of. This allows the creation of a technology platform for many different applications.

Das Verfahren zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass eine Auflösung von kleiner etwa 200 nm, vorzugsweise kleiner 100 nm, mehr noch bevorzugt kleiner 50 nm und insbesondere bevorzugt kleiner etwa 10 nm erhalten lassen.The Method is preferably characterized in that a resolution of less than about 200 nm, preferably less than 100 nm, more preferably less than 50 nm, and more preferably less than about 10 nm to let.

Als Träger und Oberflächen kommen die in der Array- und Chip-Technologie üblichen Materialien in Betracht wie Glas, Gold sowie Kunststoffmembranen, die auch die Oberfläche selbst darstellen können. Geeignet sind insbesondere Metalle, z. B. Kupfer, Titan, Chrom, Gold und vor allem Platin. Üblicherweise ist die Trägeroberfläche derivatisiert. Glasoberflächen beispielsweise können mit Silanreagenzien behandelt werden wie Aminopropyltriethoxysilan (APTES), 3-Mercaptopropyltrimethoxysilan (MPTS), Glycidoxypropyltrimethoxysilan (GPTS), Bis(hydroxyethyl)aminopropyltriethoxysilan (HE-APTS), Hydroxybutyramid-propyltriethoxysilan (HBPTES) und (Perfluorooctyloxy)propyltriethoxysilan (POPTS). Vorzugweise werden Gold, Ni-NTA (Nitrilotriacetic acid), Avidin oder Biotinbeschichtete Träger aus Glas, Silizium, Siliziumoxid oder Siliziumnitrid verwendet.Suitable supports and surfaces are the materials customary in array and chip technology, such as glass, gold and plastic membranes, which can also be the surface itself. Particularly suitable metals, for. As copper, titanium, chromium, gold and especially platinum. Usually, the carrier surface is derivatized. Glass surfaces, for example, can be treated with silane reagents such as aminopropyltriethoxysilane (APTES), 3-mercaptopropyltrimethoxysilane (MPTS), glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS), bis (hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilane (HE-APTS), hydroxybutyramide-propyltriethoxysilane (HBPTES) and (perfluorooctyloxy) propyltriethoxysilane (POPTS) , Preference is given to using gold, Ni-NTA (nitrilotriacetic acid), avidin or biotin-coated carriers of glass, silicon, silicon oxide or silicon nitride.

Besonders bevorzugt sind mit Gold beschichtete Glasträger. Die Goldoberfläche kann beispielsweise durch verschieden funktionalisierte Alkanthiol-Monoschichten (SAMs = self assembled monolayers) wie Biotin, N-oxysuccinimidester, Epoxygruppen, Maleimidgruppen, Aminogruppen, und Oligo(ethylenglycol) beschichtet werden.Especially preferred are gold coated glass slides. The gold surface can for example, by differently functionalized alkanethiol monolayers (SAMs = self assembled monolayers) such as biotin, N-oxysuccinimide ester, Epoxy groups, maleimide groups, amino groups, and oligo (ethylene glycol) be coated.

Für die Herstellung bzw. Modifizierung von Proteinchips können insbesondere weiche Träger wie PVDF, Nitrocellulose und Polystyrol verwendet werden.For the production or modification of protein chips, in particular soft carriers such as PVDF, nitrocellulose and polystyrene are used.

Da auf Glasoberflächen eine Vielfalt von verschiedenen Molekültypen fixiert werden können, wird Glas in den erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt verwendet.There on glass surfaces A variety of different types of molecules can be fixed, glass becomes in the inventive method preferably used.

Als Oberflächen kommen insbesondere auch bereits mit Biomolekülen beladene Oberflächen in Betracht wie DNA-Chip-Formate, die auch kommerziell erhältlich sind. Die Herstellung von Arrays immobilisierter Biomoleküle, die ebenfalls im Sinne der vorliegenden Erfindung modifiziert werden können, sind beispieleweise in der deutschen Patentanmeldung DE 100 41 809 A1 beschrieben.Suitable surfaces are, in particular, surfaces already loaded with biomolecules, such as DNA chip formats, which are also commercially available. The production of arrays of immobilized biomolecules, which can also be modified in the sense of the present invention, are for example in the German patent application DE 100 41 809 A1 described.

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, dass ein Träger gleichzeitig auch die Oberfläche darstellen kann. Dementsprechend werden die Begriffe Träger und Oberfläche ggf. synonym verwendet.Out the above explanation it turns out that a carrier at the same time also represent the surface can. Accordingly, the terms carrier and surface possibly used synonymously.

Träger im Sinn der Anmeldung sind in der Regel Materialien mit starrer oder halbstarrer Oberfläche und in diesem Sinne als fest zu bezeichnen. Üblich sind planare Oberflächen. Die Form eines Trägers kann mannigfaltig sein und kann sich nach der Art der Verwendung richten. Es kann sich beispielsweise um Objektträger, Chips, Dipsticks, Stempel, Caps, Partikel, sphärische Körper, wie Kugeln oder Kügelchen, Membranen, Blätter, Scheiben, Folien oder Platten handeln. Auch Wafer-Formate können als Träger dienen, die gewünschtenfalls vereinzelbar sind. Die Träger können ferner mit weiteren zweckmässigen Bauteilen versehen sein, beispielsweise kann man Chips einkapseln.Carrier in mind The registration is usually materials with rigid or semi-rigid surface and in that sense as firm. Common are planar surfaces. The Shape of a carrier can be varied and may vary according to the type of use judge. These may be, for example, slides, chips, dipsticks, stamps, caps, Particles, spherical Body, like spheres or globules, Membranes, leaves, Disc, foil or plate act. Even wafer formats can as carrier serve, if desired are singular. The carriers can further with further expedient Be provided components, for example, you can encapsulate chips.

Erfindungsgemäß beinhaltet der Begriff „Modifikation" insbesondere die hier beschriebenen Ausführungsformen wie Ablagerung, Entfernung oder tatsächliche Modifikation des Substrats. Die Modifikation der Oberfläche kann mit sehr hoher Auflösung durchgeführt werden, wobei letztendlich ein Enzymmolekül immer nur eine molekulare Modifikation an einer einzelnen Stelle durchführt. Die Modifikation der Oberfläche kann direkt durch die Aktivität des Enzyms erfolgen oder indirekt, so dass die enzymatischen Produkte selbst die Oberfläche modifizieren.Included in the invention the term "modification" in particular the Embodiments described herein such as deposition, removal or actual modification of the substrate. The modification of the surface can be done with very high resolution, where ultimately an enzyme molecule is always only one molecular Carrying out modification at a single point. The modification of the surface can directly through the activity of the enzyme, or indirectly, so that the enzymatic products even the surface modify.

Wenn nicht anders angegeben, wird der Begriff Enzym im herkömmliche Sinne verwendet. Unter einem Enzym wird u.a. ein chemisch aktives Molekül verstanden, das ein Substratmolekül modifiziert und dabei eines oder mehrere Produktmoleküle produziert. Ein Enzym kann das Substratmolekül chemisch modifizieren, kann es in mehrere Untermoleküle aufspalten oder eine Kombination aus beidem ausführen. Die chemische Modifikation des Substratmoleküls wird direkt oder indirekt zu einer chemischen oder physikalischen Modifikation der Probe führen. Da diese Modifikation nur lokal stattfindet, wird dieser Vorgang erfindungsgemäß enzymgestützte Nanolithografie genannt.If Unless otherwise stated, the term enzyme is used in the conventional Senses used. Under an enzyme, i.a. a chemically active Molecule understood, that is a substrate molecule modified and thereby produces one or more product molecules. An enzyme can be the substrate molecule can chemically modify it into several sub-molecules or a combination of both. The chemical modification of the substrate molecule becomes directly or indirectly a chemical or physical Modification of the sample lead. There this modification takes place only locally, this process according to the invention is enzyme-based nanolithography called.

Unter Effektormolekülen werden üblicherweise Stoffe verstanden, die sowohl die Enzymreaktion anregen oder hemmen können. Effektoren sind normalerweise nicht an der Reaktion selbst beteiligt, können diese nach dem Verständnis für die vorliegende Erfindung aber auslösen. Sie können je nach ihrer Wirkung auch als Aktivator oder Inhibitor bezeichnet werden.Under effector become common Understood substances that stimulate or inhibit both the enzyme reaction can. Effectors are usually not involved in the reaction itself, they can after understanding for the but trigger the present invention. You can also referred to as activator or inhibitor depending on their effect become.

Erfindungsgemäß werden unter dem Begriff „Effektormolekül" auch Cofaktoren wie NADPH verstanden, sowie allgemein Moleküle, die eine enzymatische Reaktion auslösen können, beispielsweise durch Bindung an das Enzym, wodurch dieses eine Aktivierung erfährt, d.h. enzymatisch aktiv wird. Dementsprechend kann das Effektormolekül ein Cofaktor, ein Substrat, ein Katalysator oder ebenfalls ein Enzym sein. Cofaktoren werden auch als Coenzyme bezeichnet.According to the invention under the term "effector molecule" also cofactors like NADPH, as well as in general molecules that have an enzymatic reaction trigger can, for example, by binding to the enzyme, whereby this activation learns i.e. becomes enzymatically active. Accordingly, the effector molecule may be a cofactor Substrate, a catalyst or also an enzyme. cofactors are also called coenzymes.

In diesem Zusammenhang kommen als Effektormoleküle auch Vitamine als Bestandteile von Coenzymen in Betracht, beispielsweise Thiamin (Vitamin B1) bzw. Thiamindiphosphat als Coenzym der oxidativen Decarboxylierung, Riboflavin (Vitamin B2), das mit Nicotinsäure, Nicotinamid, Folsäure und Pantothensäure den B2-Komplex bildet, Pyridoxin (Vitamin B6), das bei Transaminierungen und Decarboxylierungen benötigt wird, Cobalamin (Vitamin B 12), das bei Isomerasen eine Rolle spielt, Ascorbinsäure (Vitamin C) als H-Donor bei Oxidoreduktasen, und Biotin (Vitamin H) als CO-Gruppenüberträger.In In this context come as effector molecules and vitamins as ingredients of coenzymes, for example thiamine (vitamin B1) or Thiamine diphosphate as a coenzyme of oxidative decarboxylation, riboflavin (Vitamin B2) with nicotinic acid, Nicotinamide, folic acid and pantothenic acid forms the B2 complex, pyridoxine (vitamin B6), which in transaminations and decarboxylations needed cobalamin (vitamin B 12), which plays a role in isomerases, ascorbic acid (Vitamin C) as H-donor in oxidoreductases, and biotin (Vitamin H) as a CO group carrier.

Im Falle der Verwendung von an einer Sonde immobilisierten Effektormolekülen werden im Verfahren bevorzugt allosterische Enzyme, beispielsweise im Medium auf der Oberfläche, verwendet, die zusätzlich zu ihrem katalytischen Zentrum noch Bindungsstellen besitzen, an denen das Effektormolekül reversibel binden kann.in the Case of using immobilized on a probe effector molecules in the process preferably allosteric enzymes, for example in the medium on the surface, used that in addition to their catalytic center still have binding sites on those the Effektormolekül reversible can bind.

Einige Punkte sind wesentlich für die Durchführung des Verfahrens. Beispielsweise müssen Enzym und Substrat in unmittelbare Nähe der Oberfläche gebracht (Abstand im Bereich von nm oder Zehntel-nm) und relativ zueinander positioniert werden. Dies kann dadurch erreicht werden, dass das Enzym oder ein Effektormolekül an eine Sonde immobilisiert wird.Some Points are essential for the implementation of the procedure. For example, must Enzyme and substrate brought into close proximity to the surface (Distance in the range of nm or tenth-nm) and relative to each other be positioned. This can be achieved by the Enzyme or an effector molecule is immobilized on a probe.

Das Enzym oder Effektormolekül kann chemisch auf einem Kügelchen (Glas, Latex oder andere Materialien) oder an der Spitze eines Rastersondenmikroskops (Rastertunnelmikroskop, Rasterkraftmikroskop, SNOM oder andere) fixiert werden. Das Kügelchen oder die Spitze kann durch externe Kräfte positioniert werden, z.B. elektrische, magnetische, optische Steuerungskräfte (magnetic or optical traps) oder andere, oder durch ein Mikropositionierungsgerät (Piezo-Konverter, mikrotechnologisch hergestellte elektromechanische Wandler und so weiter) relativ zur Probe. Immobilisierung des Enzyms oder Effektormoleküls kann durch kovalente Bindung, durch chemische Bindung oder durch physikalische Adsorption erfolgen.The Enzyme or effector molecule can chemically on a bead (Glass, latex or other materials) or at the top of a scanning probe microscope (Scanning Tunneling Microscope, Atomic Force Microscope, SNOM or others) be fixed. The bead or the tip can be positioned by external forces, e.g. electrical, magnetic, optical control forces (magnetic or optical traps) or others, or by a micropositioning device (piezo converter, microtechnological manufactured electromechanical transducers and so on) relative to Sample. Immobilization of the enzyme or effector molecule can by covalent bonding, by chemical bonding or by physical Adsorption done.

Kovalente Bindungen können beispielsweise erreicht werden mit Silan- oder Thiolchemie, chemische Bindungen könnten spezifische biologische Interaktionen wie die Ligand-Rezeptor-Interaktionen zum Einsatz bringen (z.B. Biotin-Streptavidin, Antikörper-Antigen und der gleichen). Physikalische Fixierung kann sich elektrostatischer Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte, hydrophober Kräfte und dergleichen bedienen. Fixierung kann auch durch Kombination der oben beschriebenen Verfahren erreicht werden.covalent Bindings can For example, be achieved with silane or thiol chemistry, chemical Bindings could specific biological interactions such as ligand-receptor interactions for Use (e.g., biotin-streptavidin, antibody-antigen and the like). Physical fixation can be electrostatic forces, van der Waals forces, hydrophobic personnel and the like. Fixation can also be through combination the method described above can be achieved.

Demnach ist in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Sonde ein Mikro- oder Nanopartikel und umfasst vorzugsweise Latex-, Glas-, Polystyrol- oder Silika-Kügelchen. Solche Kügelchen können beispielsweise mit Biotin oder Streptavidin beschichtet werden. Diese Kügelchen können mit einer sogenannten optischen Pinzette lokal positioniert werden. Diese Technik beruht auf sogenannten optische Fallen; siehe beispielsweise Ashkin 1970, 1997. Ein neuerer Typ einer dreidimensionalen Falle (single-beam gradient force trap) wurde in Ashkin, 1986, beschrieben.Therefore is in one embodiment the method according to the invention the probe is a micro or nanoparticle and preferably comprises Latex, glass, polystyrene or silica beads. Such beads can For example, be coated with biotin or streptavidin. These beads can with a so-called optical tweezers are positioned locally. This technique is based on so-called optical traps; see for example Ashkin 1970, 1997. A newer type of three-dimensional trap (single-beam gradient force trap) has been described in Ashkin, 1986.

Eine optische Pinzette beruht auf der Tatsache, dass kleine transparente dielektrische Objekte (mit nObjekt > nUmgebung) durch eine Kraft in den Fokus eines fokussierten Laserstrahls befördert werden; siehe beispielsweise Hegner, 2002. Als dielektrische Objekte kommen wie oben erwähnt Mikropartikel aus Polystyrol, Glas- oder Silikakügelchen in Betracht, die ihrerseits Träger für Biomoleküle, d.h. erfindungsgemäß Enzyme oder Effektormoleküle sein können. Der Aufbau einer optischen Einzelstrahl-Pinzette sowie von mechanischem Zubehör wie einer Flüssigkeitszelle und eines mechanischen Verstelltisches sind dem Fachmann bekannt. Dies gilt auch für Steuerungsprogramme, beispielsweise in LabView, um den Piezotisch relativ zur optischen Falle bewegen zu können und um die optische Falle zu kalibrieren; siehe beispielsweise die Diplomarbeit „Aufbau einer optischen Pinzette" von Andy Sischka, Fakultät für Physik, Universität Bielefeld (Juni 2002).Optical tweezers are based on the fact that small transparent dielectric objects (with n object > n environment ) are conveyed by a force into the focus of a focused laser beam; see, for example, Hegner, 2002. As dielectric objects, as mentioned above, microparticles of polystyrene, glass or silica beads are suitable, which in turn can be carriers for biomolecules, ie enzymes or effector molecules according to the invention. The structure of a single-jet optical tweezers and of mechanical accessories such as a liquid cell and a mechanical adjustment table are known in the art. This also applies to control programs, for example in LabView, to move the piezoelectric table relative to the optical trap and to calibrate the optical trap; see, for example, the diploma thesis "Construction of Optical Tweezers" by Andy Sischka, Faculty of Physics, Bielefeld University (June 2002).

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Sonde die Spitze eines Rastersondenmikroskops.In another preferred embodiment the method according to the invention the probe is the tip of a scanning probe microscope.

Allen Rastersondenmikroskopen gemeinsam ist die Notwendigkeit der präzisen Steuerung des Abstandes zwischen Sonde und Probenoberfläche und der lateralen Rasterbewegung mit einer Auflösung im Nanometerbereich und deutlich besser. Diese Bewegungspräzision lässt sich durch Piezoelemente realisieren. Diese bestehen aus Piezokeramik, die die Eigenschaft hat, dass sie sich bei angelegter Spannung kontrahiert oder elongiert.all Scanning probe microscopes in common is the need for precise control of the Distance between probe and sample surface and the lateral grid movement with a resolution in the nanometer range and much better. This movement precision can be realized by piezo elements. These consist of piezoceramics, which has the property that it contracts when voltage is applied or elongated.

Rastersondenmikroskope werden in vielen Fällen zur lokalen Oberflächenmodifikation verwendet. Die wohl bekanntesten Fälle sind das Kratzen oder Hämmern von Löchern in einen weichen Polymerfilm durch Rasterkraftmikroskopie (Wendel, Lorenz et al., 1995), die Dip-Pen-Technologie (Piper, Zhu et al., 1999), bei der eine an eine Spitze adsorbierte Tinte langsam auf eine Probe aufgebracht wird, oder die lokale Elektrooxidation einer leitenden Probe durch den Elektronenstrom in einem Rastertunnelmikroskop.Scanning probe microscopes be in many cases for local surface modification used. The most well-known cases are the scratching or hammering of holes into a soft polymer film by atomic force microscopy (helix, Lorenz et al., 1995), dip-pen technology (Piper, Zhu et al., 1999), in which one adsorbed to a tip Ink is slowly applied to a sample, or local electro-oxidation a conductive sample through the electron stream in a scanning tunneling microscope.

In einer neueren Veröffentlichung wurden Experimente beschreiben, bei denen ein an einer Rasterkraftmikroskopspitze fixiertes Enzym zur Modifikation einer geeigneten Oberfläche verwendet wurde. Hier wurde die spezifische Bindung des Substratmoleküls an das Enzymmolekül dazu benutzt, das Substrat aus der Probe zu entfernen (Takeda, Nakamura et al., 2003). Im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung wurde in diesen Experimenten allerdings nur die spezifische Enzym-Substrat-Bindung ausgenutzt und sozusagen das Substrat (Peptid) von der Oberfläche runter gebürstet. Im Gegensatz dazu beruht das erfindungsgemäße Verfahren auf der Nutzung der chemischen, d.h. enzymatischen Aktivität des Enzyms. Mit anderen Worten, das Produkt der chemischen Reaktion, die das Enzym beschleunigt, wird genutzt um die Zieloberfläche zu modifizieren.In a recent publication were described experiments in which one at a atomic force microscope tip fixed enzyme was used to modify a suitable surface. Here, the specific binding of the substrate molecule to the enzyme molecule used to remove the substrate from the sample (Takeda, Nakamura et al., 2003). In contrast to the present invention was in These experiments, however, exploited only the specific enzyme-substrate binding and, so to speak, the substrate (peptide) from the surface down brushed. In contrast, the inventive method based on the use the chemical, i. enzymatic activity of the enzyme. In other words, the product of the chemical reaction that accelerates the enzyme becomes used around the target surface to modify.

Ein weiterer gravierender Unterschied gegenüber der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei dem von Takeda et al. verwendeten Kraftmikroskop keine gezielte Beschichtung der Spitzenoberfläche mit Enzym erfolgte und durch die Vielzahl von gebundenen Enzymmolekülen keine ausreichende lokale Begrenzung der Enzymaktivität erreicht wurde. Ferner wurde von den Autoren auch nicht auf die Notwendigkeit einer lokalen Begrenzung der Enzymaktivität hingewiesen, geschweige denn Maßnahmen empfohlen, wie die zu erreichen sei.Another major difference with respect to the present invention is that in the Takeda et al. used force microscope, no targeted coating of the tip surface with enzyme and insufficient by the large number of bound enzyme molecules sufficient de local limitation of enzyme activity has been achieved. Furthermore, the authors did not point out the need for a local limitation of enzyme activity, let alone recommended measures on how to achieve this.

Rastersondenmikroskope, die für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden können, umfassen das Rastertunnelmikroskop (STM), Scanning Near – field Optical Mikroskop (SNOM), und besonders bevorzugt das Rasterkraftmikroskop (AFM), das für die in den Beispielen beschriebenen Experimente verwendet wurde.Scanning probe microscopes, the for the inventive method can be used Scanning Tunneling Microscope (STM), Scanning Near - field Optical Microscope (SNOM), and most preferably the atomic force microscope (AFM) used for the in The experiments described in the examples were used.

Beim AFM tastet eine Sonde die atomare Hügellandschaft des zu untersuchenden Probeobjektes ab. Die Sonde besteht aus einer Spitze, die aus wenigen Atomen gebildet wird (im Idealfall sitzt an der Spitze der Spitze ein einziges Atom), die an einem beweglichen dünnen "Balken" montiert ist.At the AFM probes a probe the atomic hilly landscape of the examined Sample object. The probe consists of a tip, which consists of few Atoms is formed (ideally sitting at the top of the top a single atom), which is mounted on a movable thin "beam".

Fährt man mit dieser feinen Spitze an die Oberfläche heran, so wirkt in erster Näherung ein Lennard-Jones-Potenzial zwischen dem vordersten Atom der Spitze und dem Oberflächenatom, d.h., abstandsabhängig wirkt auf die Spitze in einem größeren Abstand zuerst eine anziehende und dann eine abstoßende Kraft. Beim Abtasten der Oberfläche wird die Kraft der Spitze konstant gehalten. Die dadurch veränderte Biegung des "Balkens" wird mit einem Sensor registriert. Als Sensor kann ein Rasterkraftmikroskop, üblicherweise jedoch ein abgelenkter Laserstrahl verwendet werden. Rastersondenmikroskope sind dem Fachmann bekannt. Neuere Entwicklungen dazu sind beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung EP 0 896 201 A1 beschrieben.If one approaches the surface with this fine tip, a Lennard-Jones potential between the foremost atom of the tip and the surface atom acts in a first approximation, ie, depending on the distance, an attracting and then a repulsive effect acts on the tip at a greater distance first Force. When scanning the surface, the force of the tip is kept constant. The thus changed bending of the "beam" is registered with a sensor. As a sensor, an atomic force microscope, but usually a deflected laser beam can be used. Scanning probe microscopes are known in the art. Recent developments are, for example, in the European patent application EP 0 896 201 A1 described.

Wie in den Abbildungen der 2 gezeigt, kann das Substratmolekül, das vom Enzym chemisch modifiziert wird, an der Oberfläche oder im umgebenden Medium präsent sein. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Substrat des Enzyms auf der Oberfläche immobilisiert. In einer alternativen Ausführungsform liegt das Substrat in einem Medium auf der Oberfläche vor. Es ist aber auch möglich, beide Ausführungsformen ggf. mit unterschiedlicher Gewichtung zu kombinieren.As in the pictures of 2 As shown, the substrate molecule that is chemically modified by the enzyme can be present on the surface or in the surrounding medium. In one embodiment of the method according to the invention, the substrate of the enzyme is immobilized on the surface. In an alternative embodiment, the substrate is in a medium on the surface. But it is also possible to combine both embodiments, if necessary, with different weighting.

Üblicher Weise ist das Substratmolekül im umgebenden Medium präsent, um eine konstante Menge an verfügbarem Substrat zu gewährleisten. Zur Entfernung von Material aus der Oberfläche wird vorzugsweise das Substrat auf der Probe präsentiert, und das Enzym kann Teile des Substratmoleküls abspalten (z.B. Lysozym kann Teil eines fixierten Polysaccharids abspalten). Andere Ausführungsformen sind allerdings auch akzeptabel. Zum Beispiel kann Glukoseoxidase lokal Wasserstoffperoxid produzieren, welches dann eine geeignete Oberfläche chemisch modifiziert.usual Way is the substrate molecule present in the surrounding medium, a constant amount of available To ensure substrate. to Removal of material from the surface will preferably be the substrate presented on the sample, and the enzyme can cleave off portions of the substrate molecule (e.g., lysozyme can split off part of a fixed polysaccharide). Other embodiments are but also acceptable. For example, glucose oxidase can be local Produce hydrogen peroxide, which then chemically a suitable surface modified.

Wie vorstehend erwähnt, kann das Enzym im Verfahren in einem Medium auf der Oberfläche vorliegen, insbesondere dann, wenn das Effektormolekül auf der Sonde gebunden ist.As mentioned above, if the enzyme in the process can be present in a medium on the surface, especially when the effector molecule is bound to the probe.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist das Enzym auf dem Apex der Spitze gebunden; siehe auch die Beispiele.In a preferred embodiment In the process, the enzyme is bound to the apex of the tip; please refer also the examples.

Wie bereits vorstehend erwähnt, ist es wichtig, dass die enzymatische Aktivität lokal und ggf. zeitlich begrenzt wird. Beispielsweise kann die Aktivität des Enzymmoleküls über eine externe Steuerung an- und ausgeschaltet werden. In dieser Ausführungsform kann, wenn auch weniger bevorzugt, die gesamte Sonde, beispielsweise die gesamte Rasterkraftmikroskopspitze mit Enzym oder Effektormolekülen beschichtet sein, wobei die Aktivität des Enzyms an der Oberfläche durch ein externes Signal gesteuert wird. Ein geeignetes externes Signal kann beispielsweise durch ein elektrisches oder magnetisches Feld, Oberflächenladung, pH-Änderung, Ionengradienten oder optisches Signal vermittelt werden; siehe auch die vorstehenden Ausführungen zur optischen Pinzette oben.As already mentioned above, It is important that the enzymatic activity is local and possibly limited in time becomes. For example, the activity of the enzyme molecule via a external control on and off. In this embodiment may, although less preferably, the entire probe, for example the entire atomic force microscope tip is coated with enzyme or effector molecules be the activity of the enzyme on the surface controlled by an external signal. A suitable external Signal, for example, by an electric or magnetic Field, surface charge, pH change, Ion gradients or optical signal are mediated; see also the above statements to the optical tweezers above.

Somit ist jedes Signal geeignet, mit dem erreicht werden kann, dass nur Enzymmoleküle in der unmittelbaren Nähe der zu modifizierenden Probe aktiv sind. Eine mögliche Vorgehensweise ist, diese aktivierenden Bedingungen nur in der Nähe der Oberfläche zu schaffen. Beispielsweise kann ein photoaktivierbares Enzymmolekül durch das evaneszente Feld einer totalen internen Lichtreflexion an der Probe/Medium-Grenzlinie aktiviert werden. In einer anderen Ausführungsform kann durch lokale Oberflächenladungen (oder Oberflächenpotenzial) ein Oberflächen-pH-Wert geschaffen werden, der sich vom pH-Wert im Medium unterscheidet. Da die meisten Enzyme eine pH-abhängige Aktivität aufweisen, kann dieses Verfahren derart angepasst werden, dass das Enzym nur in der Nähe der Probenoberfläche aktiv ist. Ein einfacher Weg zur An- und Ausschaltung der Aktivität des Enzyms liegt beispielsweise in einer Verfügbarkeit oder Nicht-Verfügbarkeit des Substrats. Dies kann einfach durch ein im Medium gelöstes Substrat, das durch ein Medium ohne Substrat ersetzt werden kann, erreicht werden. Allerdings kann die Aktivität des Enzyms auch durch externe Reize modifiziert werden (elektrische oder magnetische Felder, Bestrahlung mit Licht oder elektromagnetischen Wellen, Temperatur, pH-Wert). Dasselbe gilt für die Aktivität des Substrats oder für molekulare Gruppen, die auf der Oberfläche modifiziert werden sollen. Eine standardisierte Vorgehensweise, um das Substrat nach einem externen Reiz verfügbar zu machen, ist die Verwendung von vorübergehend inaktiven Verbindungen, die durch die Bestrahlung mit Licht aktiviert werden (beispielsweise "caged compounds" wie caged-ATP, caged-CA, etc.).Thus, any signal capable of allowing only enzyme molecules in the immediate vicinity of the sample to be modified to be active is suitable. One possible approach is to create these activating conditions only near the surface. For example, a photoactivatable enzyme molecule can be activated by the evanescent field of total internal light reflection at the sample / medium borderline. In another embodiment, local surface charges (or surface potential) may provide a surface pH that is different from the pH in the medium. Since most enzymes have pH-dependent activity, this method can be adapted so that the enzyme is active only near the sample surface. A simple way to turn on and off the activity of the enzyme is, for example, availability or non-availability of the substrate. This can be achieved simply by a substrate dissolved in the medium, which can be replaced by a medium without a substrate. However, the activity of the enzyme can also be modified by external stimuli (electric or magnetic fields, irradiation with light or electromagnetic waves, temperature, pH). The same applies to the activity of the substrate or to molecular groups that are to be modified on the surface. A standardized approach to making the substrate available after an external stimulus is the use of transiently inactive compounds by the irradiation activated with light (for example, "caged compounds" such as caged-ATP, caged-CA, etc.).

Alternativ, oder zusätzlich, kann die lokale Aktivität des Enzyms in der Nähe der Oberfläche dadurch erreicht werden, dass die Sonde nur an einer bestimmten Stelle, im Falle der Raster- kraftmikroskopspitze nur am vordersten Ende, mit aktiven Enzym- oder Effektormolekülen beschichtet wird siehe beispielsweise 1. Dementsprechend ist bevorzugt, dass lediglich der Apex der Sondenspitze mit Enzym oder Effektormolekülen versehen ist. Besonders bevorzugt trägt der Apex der Sondenspitze lediglich ein Enzym oder Effektormolekül.Alternatively, or additionally, the local activity of the enzyme in the vicinity of the surface can be achieved by coating the probe only with a specific site, in the case of the scanning force microscope tip only at the foremost end, with active enzyme or effector molecules, see, for example 1 , Accordingly, it is preferred that only the apex of the probe tip is provided with enzyme or effector molecules. Most preferably, the apex of the probe tip carries only one enzyme or effector molecule.

Wie vorstehend bereits erwähnt, beruht die Strukturierung, d.h. Modifikation einer Oberfläche auf der enzymatischen Aktivität eines Enzyms, d.h. ein Enzymmolekül transformiert ein Substratmolekül S in ein Produktmolekül P. Um diese chemische Reaktion zur Oberflächenmodifikation nutzbar zu machen, sind mehrere Konzepte vorstellbar; siehe beispielhaft die Abbildungen in 2.As already mentioned above, structuring, ie modification of a surface, is based on the enzymatic activity of an enzyme, ie an enzyme molecule transforms a substrate molecule S into a product molecule P. In order to make use of this chemical reaction for surface modification, several concepts are conceivable; see for example the figures in 2 ,

In einer Ausführungsform des Verfahrens resultiert die Modifikation der Oberfläche aus der Präzipitation eines Produkts der enzymatischen Reaktion, während in einer anderen Ausführungsform die Modifikation der Oberfläche aus der Modifikation des Substrats auf der Oberfläche resultiert.In an embodiment of the method results in the modification of the surface the precipitation a product of the enzymatic reaction, while in another embodiment the modification of the surface resulting from the modification of the substrate on the surface.

Es ist offensichtlich, dass weitere Reaktionsschemata verwendet werden können. Der gemeinsame Grundgedanke ist, dass eine lokale enzymatische Reaktion in ihrer Nähe eine Probenoberfläche durch Hinzufügen von Molekülen oder durch Entfernen oder Modifikation von Molekülen auf der Probenoberfläche modifiziert. Dies kann direkt vom Enzym durchgeführt werden oder indirekt vom Produkt der enzymatischen Reaktion. Das Enzym oder das aktive Produkt können zusätzliche Coenzyme oder Helfermoleküle zur Erfüllung dieser Aufgabe benötigen.It it is obvious that other reaction schemes are used can. The common basic idea is that a local enzymatic reaction in their vicinity a sample surface Add of molecules or modified by removal or modification of molecules on the sample surface. This can be done directly from the enzyme or indirectly from Product of the enzymatic reaction. The enzyme or the active product can additional Coenzymes or helper molecules to fulfillment need this task.

Für das Verfahren sind grundsätzlich alle Arten von Enzymen verwendbar, wie Oxidoreduktasen, Transferasen, Hydrolasen, Lyasen, Isomerasen und Ligasen. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Enzym ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxidoreductasen, Glucoseoxidasen, Transferasen, Kinasen, Hydrolasen, Carbonsäureesterhydrolasen, Lipasen, Ribonucleasen, Hyaluronidasen, Invertasen, Amylasen, Beta-Galactosidasen, Proteinasen und Polymerasen. Besonders bevorzugt werden das Enzym alkalische Phosphatase, Glucoseoxidase, DNA oder RNA-Polymerase, oder ein katalytischer Antikörper verwendet.For the procedure are basically all types of enzymes usable, such as oxidoreductases, transferases, Hydrolases, lyases, isomerases and ligases. In one embodiment the method according to the invention the enzyme is selected from the group consisting of oxidoreductases, glucose oxidases, transferases, Kinases, hydrolases, carboxylic ester hydrolases, Lipases, ribonucleases, hyaluronidases, invertases, amylases, beta-galactosidases, Proteinases and polymerases. Particularly preferred are the enzyme alkaline phosphatase, glucose oxidase, DNA or RNA polymerase, or a catalytic antibody used.

Die Substrate und ggf. notwendigen Cofaktoren von Enzymen sind dem Fachmann bekannt und umfassen beispielsweise Nukleotide, Aminosäuren, oder Vorstufen zu Farbstoffen, insbesondere dann, wenn es sich um metabolisierende Enzyme, d.h. Produkt „aufbauende" Enzyme handelt. Im Falle von anabolischen Reaktionen kann das Substrat beispielsweise Nukleinsäuren, Peptide, Polypeptide, Zucker, oder Farbstoffe umfassen.The Substrates and possibly necessary cofactors of enzymes are those skilled in the art known and include, for example, nucleotides, amino acids, or Precursors to dyes, especially when it is metabolizing Enzymes, i. Product "building" enzymes acts. For example, in the case of anabolic reactions, the substrate may nucleic acids, Peptides, polypeptides, sugars, or dyes include.

Beispielhaft seien folgende enzymatische Reaktionen genannt:
Die Oberfläche ist mit Phospholipid beschichtet. Das Enzym Phospholipase spaltet das Phospholipid in zwei separate Moleküle, die löslich werden und von der Oberfläche entfernt werden.
By way of example, the following enzymatic reactions may be mentioned:
The surface is coated with phospholipid. The enzyme phospholipase cleaves the phospholipid into two separate molecules that become soluble and are removed from the surface.

Das Enzym alkalische Phosphatase dephosphoryliert p-Nitrophenylphosphate, und das Produkt bindet auf Grund von elektrostatischen Interaktionen an eine geladene Oberfläche.The Enzyme alkaline phosphatase dephosphorylates p-nitrophenyl phosphates, and the product binds due to electrostatic interactions a charged surface.

Das Enzym Glukoseoxidase oxidiert Glukose und produziert Wasserstoffperoxid. Das Wasserstoffperoxid oxidiert geeignete Moleküle auf der Oberfläche.The Enzyme glucose oxidase oxidizes glucose and produces hydrogen peroxide. The hydrogen peroxide oxidizes suitable molecules on the surface.

Das Enzym alkalische Phosphatase dephosphoryliert das Substrat BCIP/NBT, das Produkt wird unlöslich und fällt auf einer geeigneten Oberfläche aus; siehe auch die Beispiele.The Enzyme alkaline phosphatase dephosphorylates the substrate BCIP / NBT, the product becomes insoluble and falls on a suitable surface; see also the examples.

Wie vorstehend beschrieben, kann das Enzymmolekül durch die in der Biotechnologie verfügbaren Toolkits chemisch gebunden werden. Im nachfolgenden Beispiel wurde beispielsweise ein Phosphatasemolekül verwendet, an das ein Streptavidinmolekül kovalent gebunden war. Streptavidin weist vier Bindungsgruppen für Biotin auf. Die Rasterkraftmikroskopspitze wurde kovalent mit einem biotinilierten Silan beschichtet. Nach einem erfindungsgemäßen Verfahren führte das Eintauchen der Rasterkraftmikroskopspitze in eine Streptavidin-Enzym-Komplex-Lösung dazu, dass die Rasterkraftmikroskopspitze ausschließlich am vordersten Ende der Spitze mit Enzymmolekülen beschichtet war; siehe Beispiel 1 und 1.As described above, the enzyme molecule can be chemically bound by the toolkits available in biotechnology. In the following example, for example, a phosphatase molecule was used, to which a streptavidin molecule was covalently bound. Streptavidin has four binding groups for biotin. The atomic force microscope tip was covalently coated with a biotinylated silane. According to a method of the invention, dipping the atomic force microscope tip into a streptavidin-enzyme complex solution resulted in the atomic force microscope tip being coated with enzyme molecules only at the foremost end of the tip; see Example 1 and 1 ,

Gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren sind Träger erhältlich, die, wie vorstehend beschrieben und in den Beispielen gezeigt, im Nanometerbereich genau strukturiert sind.According to one The above-described methods are available carriers which, as above described and shown in the examples, in the nanometer range exactly are structured.

Ferner sind Vorrichtungen erhältlich, die diese Träger enthalten. Entsprechende Vorrichtungen umfassen Chips, Microarrays, diagnostische Vorrichtungen, Biosensoren oder Nanoreaktoren. Diese Träger bzw. deren Oberflächen können natürlich je nach beabsichtigter Anwendung weiter modifiziert werden, beispielsweise in Gehäuse eingebaut werden und/oder mit konventionellen Verfahren mit Molekülen, beispielsweise Biomolekülen, beladen werden. Bevorzugt umfassen die vorgenannten Vorrichtungen einen DNA- oder Protein-Chip. Sogenannte Genchips können beispielsweise für forensische Anwendungen genutzt werden. Ferner ist es beispielsweise mit dem Verfahren möglich, sogenannte PISA (Protein in situ Arrays) herzustellen, die heutzutage lediglich in der konventionellen Multiwell-Größenordnung verwendet werden können.Furthermore, devices are available which contain these carriers. Corresponding devices include chips, microarrays, diagnostic devices, biosensors or nanoreactors. Of course, depending on the intended application, these carriers or their surfaces can be further modified, for example, incorporated in housings and / or loaded with molecules, for example biomolecules, by conventional methods. Preferably, the aforementioned devices comprise a DNA or protein chip. So-called gene chips can be used for example for forensic applications. Furthermore, it is for example possible with the method to produce so-called PISA (protein in situ arrays), which can be used today only in the conventional multi-well order.

Wie bereits vorstehend beschrieben, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Sonde verwendet, bei der nur eine kleine kontrollierte Fläche, beispielsweise nur der vorderste Teil einer Rasterkraftmikroskopspitze oder der Tangentialbereich eines Kügelchens mit Enzym- oder Effektormolekülen beschichtet ist, um eine Auflösung im Nanometerbereich zu erreichen. Dies kann nicht mit Standardtechniken wie Pipettieren oder Maskierung und dergleichen erreicht werden.As already described above, is in a particularly preferred embodiment the method according to the invention used a probe in which only a small controlled area, for example only the foremost part of an atomic force microscope tip or the Tangential area of a bead with enzyme or effector molecules is coated to a resolution to reach in the nanometer range. This can not be done with standard techniques such as pipetting or masking and the like can be achieved.

Erfindungsgemäß wurde ein neues Verfahren gefunden, wie man Enzyme oder Effektormoleküle von einem flachen Träger sammeln kann durch Inkontaktbringen der Sonde mit diesem Träger; siehe auch Beispiel 1. In einem zweiten Schritt wird die Sonde dann zu der zu modifizierenden Probenoberfläche bewegt.According to the invention was found a new method of how to make enzymes or effector molecules of one flat carrier can collect by contacting the probe with this carrier; see also Example 1. In a second step, the probe is then added to the to be modified sample surface emotional.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen, umfassend das Inkontaktbringen der Sonde mit einem flachen Träger, auf dem Enzyme oder Effektormoleküle mittels eines polyvalenten Bindungspartners A an einen Bindungspartner B auf dem Träger gebunden sind, wobei zumindest ein Teil der Sonde die gleichen Bindungspartner B aufweist.The The present invention therefore relates to a method for targeted Coating a probe with enzyme or effector molecules comprising contacting the probe with a flat support the enzymes or effector molecules by means of a polyvalent binding partner A to a binding partner B on the carrier are bound, wherein at least a portion of the probe the same binding partner B has.

Grundsätzlich kann jedwede Sonde wie bereits vorstehend beschrieben verwendet werden. Besonders bevorzugt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass lediglich der Apex der Sondenspitze beschichtet wird. Dabei ist natürlich ganz besonders bevorzugt, dass die Sonde mit lediglich einem einzigen Enzym oder Effektormolekül belegt wird.Basically any probe as already described above may be used. Particularly preferred in the method according to the invention is that only the apex of the probe tip is coated. Of course, it is whole particularly preferred that the probe with only a single Enzyme or effector molecule is occupied.

Üblicherweise werden in dem erfindungsgemäßen Verfahren Bindungspartner A mit jeweils mindestens zwei freien Bindungsstellen für Bindungspartner B verwendet. Typische Bindungspartner sind dabei Streptavidin und Biotin oder Antikörper bzw. Antikörperfragmente sowie entsprechende Antigene.Usually be in the process of the invention Binding partner A, each with at least two free binding sites for binding partners B used. Typical binding partners are streptavidin and Biotin or antibodies or antibody fragments as well as appropriate antigens.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch Sonden, die gemäß einem der vorstehend beschriebenen Verfahren erhältlich sind, bevorzugt dabei Sonden von Rastersondenmikroskopen. Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung auch Rastersondenmikroskope, die eine erfindungsgemäße Sonde enthalten. Erfindungsgemäße Sonden, insbesondere solche, die nur ein Enzym oder Effektormoleküle aufweisen, können beispielsweise auch in der Zellbiologie eingesetzt werden, z.B. zur Untersuchung der Aktivität von Enzymen oder anderen Molekülen auf der Membran von Zellen.The The present invention also relates to probes according to a The above-described methods are available, preferably thereby Probes from scanning probe microscopes. Accordingly, the concerns The present invention also relates to scanning probe microscopes comprising a probe according to the invention contain. Inventive probes, in particular those which have only one enzyme or effector molecules, can for example, in cell biology, e.g. to study the activity of enzymes or other molecules on the membrane of cells.

Wie bereits aus dem Stand der Technik ersichtlich, ergeben sich für die erfindungsgemäßen Verfahren, Träger bzw. Oberflächen, Vorrichtungen, Sonden und Rastersondenmikroskope eine Fülle von Einsatzmöglichkeiten und Verwendungen, beispielsweise zur Herstellung von Nanochips oder Microarrays, um nur zwei zu nennen. Weiterhin seien beispielhaft folgende Anwendungen genannt:
Diagnostik, Therapiewahl und Therapiekontrolle von Tumor- und Stoffwechselerkrankungen;
Untersuchung der genetischen Prädisposition (SNPs), insbesondere die Detektion von Mutationen, auch im forensischen Bereich; Genexpressionskontrolle; Sequenzierung, insbesondere Sequenzierung durch Hybridisierung; mikrobiologische Anwendungen wie in Bakteriologie und Virologie, beispielsweise zur Differenzierung verschiedener Stämme; ELISA-Anwendungen mit immobilisierten Antikörpern, Antigenen, Rezeptoren und Liganden in der klinischen Chemie bis hin zur Lebensmittelchemie und Umweltanalytik; Allergiediagnostik mit immobilisierten Allergene; High Throughput Screening von Substanzbibliotheken; Informations- und Kommunikationstechnik; und dergleichen mehr.
As can already be seen from the prior art, the methods, carriers or surfaces, devices, probes and scanning probe microscopes according to the invention provide a wealth of possible uses and uses, for example for the production of nanochips or microarrays, to name only two. Furthermore, the following applications are mentioned by way of example:
Diagnosis, treatment choice and therapy control of tumor and metabolic diseases;
Investigation of genetic predisposition (SNPs), in particular the detection of mutations, also in the forensic field; Gene expression control; Sequencing, in particular sequencing by hybridization; microbiological applications such as in bacteriology and virology, for example for the differentiation of different strains; ELISA applications with immobilized antibodies, antigens, receptors and ligands in clinical chemistry to food chemistry and environmental analysis; Allergy diagnostics with immobilized allergens; High throughput screening of compound libraries; Information and communication technology; and more.

Die erfindungsgemäßen Verfahren, Träger bzw. Oberflächen, Vorrichtungen, Sonden und Rastersondenmikroskope können insbesondere zur Speicherung und/oder Analyse von Daten, Zellmanipulation, oder zur Durchführung von Mess- oder Untersuchungsverfahren verwendet werden. Ferner kommen der Einsatz in jüngster Techniken wie bioMEMS (siehe dazu beispielsweise „Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization", Second Edition, Marc J Madou, University of California, Irvine, California, USA, (2002) ISBN: 0849308267), uTAS (siehe dazu beispielsweise das „uTAS Virtual Journal", das ausschließlich in elektronischem Format verfügbar ist und Mikro-Total-Analyse Systeme (uTAS) zum Gegenstand hat, und über die Internetseite des Verlags ELSEVIER einsehbar ist).The inventive method, Carrier or Surfaces, Devices, probes and scanning probe microscopes can in particular for storage and / or analysis of data, cell manipulation, or to carry out be used by measuring or inspection procedures. Further come the use in recent Techniques like bioMEMS (see for example "Fundamentals of Microfabrication: The Science of Miniaturization, Second Edition, Marc J Madou, University of California, Irvine, California, USA, (2002) ISBN: 0849308267), uTAS (see for example the "uTAS Virtual Journal", which is published exclusively in electronic format available is and micro-total analysis systems (uTAS) has the subject, and about the Website of the publisher ELSEVIER is available).

Die vorliegende Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen erläutert.The The present invention will be illustrated in the following examples.

BEISPIELEEXAMPLES

Beispiel 1: Gezielte Beschichtung einer Sonde eines Rasterkraftmikroskops.Example 1: Targeted coating a probe of an atomic force microscope.

Zur ausschließlichen Beschichtung nur des vordersten Endes der Rasterkraftmikroskopspitze präparierten wir eine flache Probe, die ebenfalls mit biotiniliertem Silan beschichtet war. Zu dieser Probe fügten wir Enzym hinzu, so dass die Probe beschichtet war. Bei Inkontaktbringen der biotinilierten Rasterkraftmikroskopspitze mit dieser Probe können die Biotingruppen am vordersten Ende der Rasterkraftmikroskopspitze wegen der Polyvalenz von Streptavidin auch an Streptavidinmoleküle binden. Auf Grund geometrischer Beschränkungen ist es tatsächlich vorstellbar, dass Streptavidin an maximal zwei Biotingruppen an der Oberfläche bindet und folglich die beiden anderen Bindungsstellen der Rasterkraftmikroskopspitze zugewandt sein müssen.For the exclusive coating of only the foremost end of the atomic force microscope tip we prepared a flat sample, which also with biotinylated silane was coated. To this sample, we added enzyme so that the sample was coated. Upon contacting the biotinized atomic force microscope tip with this sample, the biotin groups at the foremost end of the atomic force microscope tip may also bind to streptavidin molecules because of the versatility of streptavidin. Due to geometric limitations, it is actually conceivable that streptavidin binds to a maximum of two biotin groups on the surface and consequently the two other binding sites must face the atomic force microscope tip.

Die Immobilisierung von streptavidinisierten Proteinen am Apex einer Rastersondenspitze und Vorbereitung einer geeigneten Oberfläche kann beispielsweise wie folgt vorgenommen werden:The Immobilization of streptavidinized proteins at the apex of a Scanning probe tip and preparing a suitable surface can For example, be made as follows:

Reinigungcleaning

  • 1. Reinigung der Oberfläcμhe eines Stücks oxidierten Silizium Wafers (CrysTec S3012) in einer Mischung von konz. Schwefelsäure (Riedel de Haen – C8029) und 30 prozentiger Wasserstoffperoxidlösung (Merck 8.22287.1000) (Verhältnis 3:1) im Ultraschallbad für 15 min.1. Cleaning the surface area of a piece of oxidized silicon wafer (CrysTec S3012) in a mixture of conc. Sulfuric acid (Riedel de Haen - C8029) and 30 percent hydrogen peroxide solution (Merck 8.22287.1000) (ratio 3: 1) in the ultrasonic bath for 15 minutes.
  • 2. Spülen des Wafers mit deionisiertem Wasser (MilliPore® Qualität).2. Rinse the wafer with deionized water (MilliPore ® quality).
  • 3. Bestrahlen einer AFM-Spitze (Veeco Nanoprobe NP-STT) mit UV-Licht zum Aufbrechen organischer Verschmutzungen auf der Oberfläche.3. Irradiate an AFM tip (Veeco Nanoprobe NP-STT) with UV light to break up organic dirt on the surface.

Silanisierungsilanization

  • 4. Ansetzen einer Mischung aus: – 9 ml Methanol p.A. (Riedel de Haen – 32213) – 80 μl (mikroliter) konz. Essigsäure (Fluka 45731) – 370 μl deionisiertem Wasser – 230 μl N-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilan (Merck 8.19172.0100)4. Applying a mixture of: - 9 ml of methanol reagent grade (Riedel de Haen - 32213) - 80 μl (microliters) conc. acetic acid (Fluka 45731) 370 μl of deionized water 230 μl of N-2-aminoethyl-3-aminopropyltrimethoxysilane (Merck 8.19172.0100)
  • 5. Einlegen des Wafers und der AFM-Spitze in diese Mischung für 30 min.5. Insert the wafer and AFM tip into this mixture for 30 minute
  • 6. Herausnehmen und zweifaches Waschen des Wafers und der AFM-Spitze in Methanol.6. Remove and wash twice the wafer and AFM tip in methanol.
  • 7. Trocknen des Wafers und der AFM-Spitze mit Stickstoffgas.7. Dry the wafer and AFM tip with nitrogen gas.
  • 8. Erhitzen des Wafers und der AFM-Spitze in einem Ofen bei 120°C für 3 min.8. Heat the wafer and AFM tip in an oven 120 ° C for 3 min.

Ausbringen des Biotin-LinkersApplication of the biotin linker

  • 9. Ansetzen einer Lösung von – 4 ml Dimethylsulfoxid (DMSO) (Fluka 41640) – 1 μg (mikrogramm) biotin-N-hydroxysuccinimid-ester (NHS-Biotin) (Sigma H1759) 10. Einlegen des Wafers und der AFM-Spitze in diese Mischung für 2 h.9. Prepare a solution of - 4 ml of dimethyl sulfoxide (DMSO) (Fluka 41640) - 1 μg (micrograms) biotin-N-hydroxysuccinimide ester (NHS-biotin) (Sigma H1759) 10. Insert the wafer and AFM tip into this mixture for 2 h.
  • 11. Herausnehmen und zweifaches Waschen des Wafers und der AFM-Spitze in Ethanol (Riedel de Haen 32205).11. Remove and wash twice the wafer and AFM tip in ethanol (Riedel de Haen 32205).
  • 12. Trocknen des Wafers und der AFM-Spitze mit Stickstoffgas.12. Dry the wafer and AFM tip with nitrogen gas.

Immobilisierung streptavidinisierter alkaliner Phosphatasen auf der Wafer-OberflächeImmobilization streptavidinized alkaline phosphatases on the wafer surface

  • 13. Der biotinisierte Wafer wird in einer 0.2 nmol Lösung von alkaliner Phosphatase (Sigma 52890) für 10 min inkubiert.13. The biotinized wafer is placed in a 0.2 nmol solution of alkaline phosphatase (Sigma 52890) for 10 min.
  • 14. Spülen mit deionisiertem Wasser.14. Rinse with deionized water.
  • 15. Inkubieren in einer 5 mmol Lösung von p-Nitrophenylphosphat (pNNP) (Sigma N4665) in 40 mmol TRIS Puffer p.A. (Roth 4855.2) und 1 mmol Magnesiumchlorid (Sigma M2670) für 10 min auf einem Rührtisch.15. Incubate in a 5 mmol solution of p-nitrophenyl phosphate (pNNP) (Sigma N4665) in 40 mM TRIS buffer p.A. (Roth 4855.2) and 1 mmol magnesium chloride (Sigma M2670) for 10 min on a stirred table.
  • 16. Spülen mit deionisiertem Wasser.16. Rinse with deionized water.

Immnobilisierung streptavidinisierter alkaliner Phosphatasen auf der AFM-SpitzeImmobility of streptavidinized alkaline phosphatases on the AFM tip

  • 17. Einbau der biotinisierten AFM-Spitze und des präparierten Wafers in ein Rasterkraftmikroskop.17. Installation of biotinized AFM tip and of the prepared Wafers in an atomic force microscope.
  • 18. Annähern der AFM-Spitze an die Oberfläche des Wafers.18. Approach the AFM tip to the surface of the Wafer.
  • 19. Langsames Bewegen der AFM-Spitze über die Oberfläche ~100 nm/s) über eine Strecke von ~50 μm. Hierbei binden sich einzelne streptavidinisierte alkaline Phosphatasen an die AFM-Spitze.19. Slowly move the AFM tip over the surface ~ 100 nm / s) a distance of ~ 50 μm. In this case, individual streptavidinized alkaline phosphatases bind to the AFM tip.

Da dasselbe Streptavidinmolekül nun an den Träger und die Spitze gebunden ist, ist es bei Abziehen der Spitze zu 50% wahrscheinlich, dass Streptavidin an die Spitze gebunden bleiben wird. Da das Enzym kovalent and Streptavidin gebunden ist, werden wir folglich aktives Enzym an unserer Rasterkraftmikroskopspitze ansammeln. Wegen der Größe der Moleküle und der in dieses Konzept involvierten Zwischenräume ist es möglich, nur das vorderste Ende der Rasterkraftmikroskopspitze zu beschichten. Wir können abschätzen, dass maximal die vordersten 10 nm der Rasterkraftmikroskopspitze beschichtet sein dürften.There the same streptavidin molecule now to the carrier and the tip is tied, it is 50% when the tip is removed likely that streptavidin remain bound to the top becomes. Since the enzyme is covalently bound to streptavidin we therefore active enzyme at our atomic force microscope tip accumulate. Because of the size of the molecules and the it is possible only in this space involved gaps to coat the foremost end of the atomic force microscope tip. We can estimate that at most the foremost 10 nm of the atomic force microscope tip should be coated.

Beispiel 2: Strukturierung einer Oberfläche mit der Rasterkraftmikroskopspitze aus Beispiel 1.Example 2: structuring a surface with the atomic force microscope tip of Example 1.

Zur Erzeugung der in den 3B und 3C gezeigten Strukturen wurde die, nach der oben beschriebenen Prozedur, funktionalisierte AFM-Spitze in ein AFM eingebaut (Asylum Research MFP 3D). Als zu strukturierende Oberfläche kam Glimmer (Plano GmbH, Wetzlar) zum Einsatz.To produce in the 3B and 3C In the structures shown, the functionalized AFM tip was incorporated into an AFM according to the procedure described above (Asylum Research MFP 3D). Glimmer (Plano GmbH, Wetzlar) was used as the surface to be structured.

Als umgebenes Medium wurde 40 mM TRIS Puffer (Roth 4855.2) mit 1mM Magnesiumchlorid (Sigma M2670) genutzt, der im Verhältnis 1:1 mit dem Substrat BCIP/NBT (Sigma 6404) gemischt ist.When surrounding medium was added 40 mM TRIS buffer (Roth 4855.2) with 1 mM magnesium chloride (Sigma M2670) used in the ratio 1: 1 with the substrate BCIP / NBT (Sigma 6404) is mixed.

Die an der Spitze immobilisierte alkaline Phosphatase (Sigma 52890) setzt dabei das in Lösung befindliche Substrat so um, dass es unlöslich wird. Zum Erzeugen der Punktstruktur (3C) wurde die AFM-Spitze für jeden Punkt für 20 s mit der Glimmeroberfäche in Kontakt gebracht. Nach dem "Schreiben" wurde derselbe Bereich im Tapping-Modus abgebildet. Zum Erzeugen der zusammenhängenden L-förmigen Struktur (3B) wurde die AFM-Spitze in Kontakt gebracht und mit einer Geschwindigkeit von 10 nm/s bewegt. Dieser Bereich wurde anschließend ebenfalls im Tapping-Modus abgebildet.The alkaline immobilized at the top Phosphatase (Sigma 52890) converts the substrate in solution so that it becomes insoluble. To create the dot structure ( 3C ), the AFM tip was contacted with the mica surface for each 20 seconds for each point. After writing, the same area was mapped in tapping mode. To create the contiguous L-shaped structure ( 3B ), the AFM tip was brought into contact and moved at a speed of 10 nm / s. This area was then also mapped in tapping mode.

Literaturliterature

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Claims (27)

Verfahren zur gezielten Beschichtung einer Sonde mit Enzym oder Effektormolekülen, umfassend das Inkontaktbringen der Sonde mit einem flachen Träger, auf dem Enzyme oder Effektormoleküle mittels eines polyvalenten Bindungspartners A an einen Bindungspartner B auf dem Träger gebunden sind, wobei zumindest ein Teil der Sonde die gleichen Bindungspartner B aufweist, und wobei das Molekül, das aus dem Enzym oder Effektormolekül und dem polyvalenten Bindungspartner A besteht, im nicht an den Bindungspartner B gebundenen Zustand mindestens zwei freie Bindungsstellen für den Bindungspartner B aufweist.Method for the targeted coating of a probe with enzyme or effector molecules, comprising contacting the probe with a flat support the enzymes or effector molecules by means of a polyvalent binding partner A to a binding partner B on the carrier are bound, wherein at least a portion of the probe the same binding partner B, and wherein the molecule, the from the enzyme or effector molecule and the polyvalent binding partner A, not in the Binding partner B bound state at least two free binding sites for the Binding partner B has. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sonde ein Mikro- oder Nanopartikel ist.The method of claim 1, wherein the probe is a microporous or nanoparticles. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Mikro- oder Nanopartikel Latex-, Glas- oder Silika-Kügelchen umfasst.The method of claim 2, wherein the micro or Nanoparticles comprises latex, glass or silica beads. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Sonde die Spitze eines Rastersondenmikroskops ist.The method of claim 1, wherein the probe is the tip of a scanning probe microscope. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Rastersondenmikroskop ein Rastertunnelmikroskop oder Rasterkraftmikroskop ist.The method of claim 4, wherein the scanning probe microscope a scanning tunneling microscope or atomic force microscope is. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem lediglich der Apex der Sondenspitze beschichtet wird.Method according to one of claims 1 to 5, in which only the apex of the probe tip is coated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bindungspartner A Streptavidin und Bindungspartner B Biotin ist.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the binding partner A streptavidin and binding partner B is biotin. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sonde mit lediglich einem Enzym oder Effektormolekül belegt wird.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the probe is occupied by only one enzyme or effector molecule. Sonde, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis B.Probe, available according to a method according to the claims 1 to B. Lithographisches Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Trägers, wobei durch eine lokal begrenzte enzymatische Aktivität in unmittelbarer Nähe der Oberfläche, diese chemisch oder physikalisch modifiziert wird und ein an einer Sonde gemäß Anspruch 9 immobilisiertes Enzym oder Effektormolekül in die unmittelbare Nähe der Oberfläche positioniert wird.Lithographic process for structuring a surface a carrier, being characterized by a localized enzymatic activity in the immediate Near the Surface, this is chemically or physically modified and one at a Probe according to claim 9 immobilized enzyme or effector molecule positioned in the immediate vicinity of the surface becomes. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat des Enzyms auf der Oberfläche immobilisiert ist.The method of claim 10, wherein the substrate of the Enzyme on the surface is immobilized. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Substrat in einem Medium auf der Oberfläche vorliegt.The method of claim 10, wherein the substrate is in a medium on the surface is present. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Enzym in einem Medium auf der Oberfläche vorliegt.A method according to any one of claims 10 to 12, wherein the enzyme in a medium on the surface is present. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Enzym auf dem Apex der Sondenspitze gebunden ist.A method according to any one of claims 10 to 12, wherein the enzyme is bound on the apex of the probe tip. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei das Effektormolekül ein Cofaktor, ein Substrat, ein Enzym oder ein Katalysator ist.The method of any one of claims 10 to 13, wherein the effector molecule is a cofactor, a sub strat, an enzyme or a catalyst. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Aktivität des Enzyms an der Oberfläche durch ein externes Signal gesteuert wird.A method according to any one of claims 10 to 15, wherein the activity of the enzyme through at the surface an external signal is controlled. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das externe Signal durch ein elektrisches oder magnetisches Feld, Oberflächenladung, pH-Änderung, Ionengradienten, oder optisches Signal vermittelt wird.The method of claim 16, wherein the external signal by an electric or magnetic field, surface charge, pH change, Ion gradient, or optical signal is mediated. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei lediglich der Apex der Sondenspitze mit Enzym oder Effektormolekülen versehen ist.Method according to one of claims 10 to 17, wherein only provide the apex of the probe tip with enzyme or effector molecules is. Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Apex der Sondenspitze lediglich ein einziges Enzym oder Effektormolekül trägt.The method of claim 18, wherein the apex of the probe tip carries only a single enzyme or effector molecule. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die Modifikation der Oberfläche aus der Präzipitation eines Produkts der enzymatischen Reaktion resultiert.A method according to any one of claims 10 to 19, wherein the modification the surface from the precipitation a product of the enzymatic reaction results. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 20, wobei die Modifikation der Oberfläche aus der Modifikation des Substrats auf der Oberfläche resultiert.A method according to any one of claims 10 to 20, wherein the modification the surface resulting from the modification of the substrate on the surface. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 21, wobei das Enzym ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Oxidoreductasen, Glucoseoxidasen, Transferasen, Kinasen, Hydrolasen, Carbonsäureesterhydrolasen, Lipasen, Ribonucleasen, Hyaluronidasen, Invertasen, Amylasen, beta-Galactosidasen, Proteinasen und Polymerasen.A method according to any one of claims 10 to 21, wherein the enzyme selected is from the group consisting of oxidoreductases, glucose oxidases, transferases, Kinases, hydrolases, carboxylic ester hydrolases, Lipases, ribonucleases, hyaluronidases, invertases, amylases, beta-galactosidases, Proteinases and polymerases. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 22, wobei das Enzym alkalische Phosphatase, Glucoseoxidase, DNA oder RNA-Polymerase, oder ein katalytischer Antikörper ist.A method according to any one of claims 10 to 22, wherein the enzyme alkaline phosphatase, glucose oxidase, DNA or RNA polymerase, or a catalytic antibody is. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 23, wobei das Substrat Nukleotide, Aminosäuren, oder Vorstufen zu Farbstoffen umfasst.A method according to any one of claims 10 to 23, wherein the substrate Nucleotides, amino acids, or Comprises precursors to dyes. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 23, wobei das Substrat Nukleinsäuren, Peptide, Polypeptide, Zucker, oder Farbstoffe umfasst.A method according to any one of claims 10 to 23, wherein the substrate nucleic acids, Peptides, polypeptides, sugars, or dyes. Rastersondenmikroskop, enthaltend eine Sonde nach Anspruch 9.Scanning probe microscope containing a probe after Claim 9. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 25, einer Sonde nach Anspruch 9 oder eines Rastersondenmikroskops nach Anspruch 26 zur Herstellung von Nanochips oder Microarrays, zur Speicherung und/oder Analyse von Daten, Zellmanipulation, oder zur Durchführung von Mess- oder Untersuchungsverfahren.Use of a method according to one of claims 10 to 25, a probe according to claim 9 or a scanning probe microscope according to claim 26 for the production of nanochips or microarrays, for storage and / or analysis of data, cell manipulation, or to carry out of measuring or examination procedures.
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