DE60028819T2 - METHOD OF TREATING A MATRIX NUCLEIC ACID USING AN INTEGRATED MICROFLUIDIC PLATE - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikrogefertigten Apparat, umfassend eine rotierbare Platte (Scheibe, disc), und besonders eine mikrofluidische Platte, umfassend Mikrostrukturen für Fluide, in welchen Schritte, die zur Sequenzierung von Nucleinsäuren benötigt werden, auf eine integrierte und sequentielle (aufeinanderfolgende) Weise durchgeführt werden können.The The present invention relates to a microfabricated apparatus comprising a rotatable plate (disc, disc), and especially a microfluidic Plate comprising microstructures for fluids, in which steps which are needed for sequencing nucleic acids on an integrated and sequential (manner) can.
Das Verfahren der Sequenzierung hat durch die Anwendung von Automation, insbesondere in der Form von Robotern und das Handhaben von kleinen Volumina von Flüssigkeit in Multiplexformaten (gebündelten Formaten, multiplexed formats), einen industriellen Maßstab erreicht. Das Verfahren schließt typischerweise das Fragmentieren eines Genoms, das Einfügen (Insertion) von Fragmenten von Interesse in einen Klonierungsvektor, das Isolieren von individuellen Klonen, das Reinigen des Vektors, welcher das eingefügte (insertierte) Fragment enthält, und das Verwenden dieses eingefügten Fragments als ein Templat in einer Sequenzierungsreaktion ein. Die erhaltenen Sequenzdaten werden dann unter Verwendung von Computerprogrammen (Software) abgeglichen, um eine zusammenhängende Sequenz aus den zahlreichen Fragmenten zu erhalten. Dieses Verfahren wird unten detaillierter beschrieben.The Method of sequencing has by the application of automation, especially in the form of robots and handling of small volumes of liquid in multiplex formats (bundled Formats, multiplexed formats), reaching an industrial scale. The process typically concludes fragmenting a genome, inserting fragments of interest in a cloning vector, isolating individual Cloning, cleaning the vector which inserted the (inserted) Contains fragment, and using this inserted Fragment as a template in a sequencing reaction. The obtained sequence data are then using computer programs (Software) matched to a contiguous sequence from the numerous To get fragments. This procedure will be detailed below described.
In Abhängigkeit von der Größe des Fragmentes können verschiedene Klonierungsvektoren verwendet werden, um Fragmente zu klonieren. Der Zweck der Klonierung ist es, eine Replikation des Inserts sicherzustellen, um große Anzahlen von Kopien (Kopiezahlen) über ein biologisches System (Bakterium oder Virus) zu ergeben. Große Fragmente werden häufig in BACs (Bakterielle künstliche Chromosome) oder Kosmide kloniert. Kleinere Fragmente werden im allgemeinen entweder in bakterielle Plasmide, wie beispielsweise pUC18, oder in die Phage M13 kloniert.In dependence on the size of the fragment can Different cloning vectors are used to form fragments to clone. The purpose of cloning is to replicate of the insert to ensure large numbers of copies (copy numbers) over one to yield a biological system (bacterium or virus). Big fragments become common in BACs (Bacterial Artificial Chromosomes) or cosmids cloned. Smaller fragments are in the general either in bacterial plasmids, such as pUC18, or cloned into phage M13.
Ein typisches Verfahren zur De-novo-Sequenzierung eines Genoms unter Verwendung von Fragmenten, welche in ein Plasmid kloniert worden sind, schließt eine Anzahl von möglichen Schritten ein, welche sequentiell durchgeführt werden. Beispiele für diese Schritte sind im Folgenden breit beschrieben:One typical method for de novo sequencing of a genome under Use of fragments which have been cloned into a plasmid, includes a number of possible ones Steps which are performed sequentially. Examples of these Steps are broadly described below:
1. Herstellung von bakteriellen Kulturen1. Production of bacterial cultures
Fragmente des in Frage kommenden Genoms werden erzeugt und in Plasmide (zum Beispiel pUC18) eingefügt, welche in einem Stamm des Bakteriums Escherichia coli bereitgehalten werden. Dieses Verfahren wird als Transformation bezeichnet.fragments of the candidate genome are generated and transformed into plasmids (for example pUC18) inserted, which are kept in a strain of the bacterium Escherichia coli become. This process is called transformation.
Die transformierten Bakterien werden auf einer Agarplatte verteilt, welche Wachstumsmedium und ein Antibiotikum enthält, um die Bakterien, welche das Plasmid enthalten (welches ein Gen trägt, welches dem Gastbakterium antibiotische Resistenz verleiht), zu selektieren. Die Agarplatte kann auch einen Indikator enthalten, welcher spezifisch die Anwesenheit von Bakterien, enthaltend Plasmide, welche das Insert enthalten, – das heißt nicht nur ein Klon enthaltend "leeres" oder insertfreies Plasmid – anzeigt. Die Bakterienkultur wird vor ihrem Verteilen bis zu einem solchen Grad verdünnt, dass individuelle Bakterienzellen und dadurch deren Tochterkolonien mit hoher Wahrscheinlichkeit gut voneinander auf der Platte getrennt sind. Dieses stellt sicher, dass individuelle Kolonien aufgenommen (ausgewählt) werden, welche wiederum Klone nur einer einzigen Sequenz enthalten.The transformed bacteria are spread on an agar plate, which contains growth medium and an antibiotic to the bacteria, which containing the plasmid (which carries a gene which is the host bacterium gives antibiotic resistance). The agar plate may also contain an indicator which specifically indicates the presence of bacteria containing plasmids containing the insert - that is not only one clone containing "empty" or insert-free Plasmid - indicating. The bacterial culture is prior to its distribution to such Diluted in degrees, that individual bacterial cells and thereby their daughter colonies with high probability well separated from each other on the plate are. This ensures that individual colonies are recorded (selected) which in turn contain clones of only a single sequence.
Die Platten werden über Nacht bei 37°C inkubiert. Individuelle Bakterienzellen führen zur Entstehung von Zellkolonien, welche nicht auf der Platte überlappen sollten.The Plates are over Night at 37 ° C incubated. Individual bacterial cells lead to the formation of cell colonies, which do not overlap on the plate should.
Kolonien werden entweder mit der Hand (manuell) oder durch einen Roboter aufgenommen und können direkt verwendet werden, um Plasmide herzustellen, oder üblicher, um eine Übernacht-Flüssigkultur (typischerweise 1 bis 2 mL) anzuimpfen, um größere Mengen von Bakterien und dadurch große Kopiezahlen des Inserts zu erhalten.colonies be either by hand (manually) or by a robot recorded and can can be used directly to prepare plasmids or more commonly for an overnight liquid culture (typically 1 to 2 mL) to inoculate larger amounts of bacteria and thereby large copy numbers of the insert.
2. Isolierung von Insert enthaltendes Plasmid2. insulation insert-containing plasmid
Die Qualität der Templat-Nucleinsäure ist ein Schlüsselfaktor für den Erfolg in einer Sequenzierungsreaktion. Das Templat kann entweder ein Plasmid oder ein Polymerase-Kettenreaktionsprodukt (PCR-Produkt), welches aus einem Plasmid hergestellt worden ist, sein. Während über eine direkte Sequenzierung von bakteriellen Extrakten berichtet wurde (vergleiche zum Beispiel Frothingham, R., R. L. Allen, et al. (1991). "Rapid 16S ribosomal DNA sequencing from a single colony without DNA extraction or purification." Biotechniques 11 (1): 40–4.; Chen, Q., C. Neville, et al. (1996)), wenden die meisten größeren Sequenzierungseinrichtungen große Sorgfalt auf, um reines Plasmid zu isolieren, um einen Sequenzierungserfolg sicherzustellen.The quality the template nucleic acid is a key factor for the Success in a sequencing reaction. The template can either a plasmid or a polymerase chain reaction product (PCR product), which has been prepared from a plasmid. While about one direct sequencing of bacterial extracts has been reported (See, for example, Frothingham, R., R.L. Allen, et al. (1991). "Rapid 16S ribosomal DNA sequencing from a single colony without DNA extraction or purification. "Biotechniques 11 (1): 40-4 .; Chen, Q., C. Neville, et al. (1996)), most major sequencing facilities apply size Take care to isolate pure plasmid for sequencing success sure.
Viele
Verfahren zur Plasmidisolierung/-reinigung wurden entwickelt. Ein übliches
Verfahren ist es, (i) bakterielle Zellen unter Verwendung von NaOH zu
lysieren, (ii) Protein und chromosomale DNA zu präzipitieren,
(iii) das Plasmid in Lösung
auf einer Glasmatrix (oder einer anderen Reinigungssäule, welche
selektiv die zu isolierende Nucleinsäure durch Adsorption oder Absorption
zurückhält) unter Anwesenheit
eines Chaotrops, wie beispielsweise Guanidinisothiocyanat (vergleiche
beispielsweise
Dieses Verfahren ist die Grundlage für eine Anzahl von kommerziell erhältlichen Bausätzen (Kits), wie beispielsweise des GFX Micro Plasmid Prep KitTM (Amersham Pharmacia Biotech). Diese Bausätze schließen typischerweise eine Reihe von Lösungen, Lösungen I, II und III, ein, wobei die Lösung I ungefähr 100 mM Tris-HCl, pH 7,5, 10 mM EDTA, 400 μg/mL RNase I umfasst, die Lösung II ungefähr 100 mM NaOH, 1% w/v SDS umfasst und die Lösung III eine gepufferte Lösung, enthaltend Acetat und eine Chaotrop, umfasst.This method is the basis for a number of commercially available kits, such as the GFX Micro Plasmid Prep Kit ™ (Amersham Pharmacia Biotech). These kits typically include a series of solutions, Solutions I, II and III, where Solution I comprises approximately 100 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM EDTA, 400 μg / mL RNase I, Solution II approximately 100 mM NaOH, 1% w / v SDS and solution III comprises a buffered solution containing acetate and a chaotrope.
Modifikationen
an der Oberfläche
des Glases in der Glasmatrix sind beispielsweise in der
Die Plasmidqualität kann dann unter Verwendung von Agarosegelelektrophorese bestimmt werden und die Quantität kann spektrophotometrisch bestimmt werden, wobei beide Techniken dem Durchschnittsfachmann bekannt sind. Es ist vorteilhaft, Plasmid in Wasser oder verdünntem Puffer, welcher kompatibel mit dem anschließenden Schritt (das heißt einer PCR oder einer direkten Sequenzierungsreaktion, wie beispielsweise cyclischer Sequenzierung) ist, zu erhalten.The plasmid quality can then be determined using agarose gel electrophoresis and the quantity can be determined spectrophotometrically, using both techniques known to those of ordinary skill in the art. It is beneficial to plasmid in water or diluted Buffer which is compatible with the subsequent step (ie PCR or a direct sequencing reaction, such as cyclic sequencing).
Wenn die Plasmidausbeute (oder mögliche Qualität) unzureichend für die direkte Sequenzierung ist, dann kann eine spezifische Region des Plasmids, welche das Insert und die flankierende Sequenz abdeckt, über eine herkömmliche Polymerase-Ketten reaktion (PCR) amplifiziert werden, um ein Sequenzierungstemplat zu ergeben. Dieses PCR-Produkt muss "aufgereinigt" werden, bevor es als Templat für die Sequenzierung verwendet wird. Das Aufreinigen schließt das Entfernen von nichteingebauten Nukleotiden und Primern ein, welche andernfalls die cyclische Sequenzierungsreaktion stören würden. Ein Verfahren schließt das Aussetzen (Einwirken, exposure) von Exonuklease III und alkalischer Shrimp-Phosphatase, das Deaktivieren (Töten) dieser Enzyme durch Wärmedenaturierung und das Verwenden der Reaktion direkt in der cyclischen Sequenzierung ein.If the plasmid yield (or possible quality) insufficient for the is direct sequencing, then a specific region of the Plasmids, which covers the insert and the flanking sequence, via a conventional Polymerase chain reaction (PCR) can be amplified to a sequencing template to surrender. This PCR product must be "purified" before being used as a template for sequencing is used. Clearing includes removing uninstalled ones Nucleotides and primers, which would otherwise be the cyclic sequencing reaction to disturb would. A procedure closes the exposure of exonuclease III and alkaline shrimp phosphatase, deactivating (killing) of these enzymes by heat denaturation and using the reaction directly in cyclic sequencing one.
3. Cyclische Sequenzierung3. Cyclic sequencing
Eine cyclische Sequenzierungsreaktion schließt das Mischen von Templat-Nucleinsäure mit Sequenzierungsprimern, einem thermostabilen DNA-Polymerase-Enzym und einer Mischung der vier Deoxynukleotide (dATP, dCTP, dGTP und dTTP), einschließlich eines kleinen Anteils einer Base in einer (kettenabschließenden (kettenterminierenden)) Dideoxy-Form, gefolgt von periodischen Durchläufen (Zyklen) des Erwärmens und des Abkühlens (das heißt Thermocycling) ein. Die Reaktion wird entweder in vier verschiedenen Rohren (Gefäßen, tubes) durchgeführt – jeweils kleine Mengen von jedem der Dideoxynukleotide enthaltend, zusammen mit einem fluoreszenzmarkierten Primer – oder in einem einzigen Rohr durch die Verwendung von Dideoxynukleotiden mit verschiedenen Fluoreszenzmarkern und unmarkiertem Primer. Das Ergebnis ist eine fluoreszenzmarkierte Leiter von Nucleinsäureketten, welche die Sequenz des Templatstranges komplementiert. Cyclische Sequenzierungsreaktionen werden gewöhnlich in einem Maßstab von 10 bis 20 μL in einer Mikrotiterplatte (96-Well oder 384-Well-Format) in einem Thermocycler durchgeführt.A cyclic sequencing reaction involves mixing template nucleic acid with sequencing primers, a thermostable DNA polymerase enzyme and a mixture of the four Deoxynucleotides (dATP, dCTP, dGTP and dTTP), including one small proportion of a base in a chain-terminating (chain-terminating) dideoxy form, followed by periodic runs (cycles) of heating and cooling (this means Thermocycling). The reaction is either in four different Tubes (vessels, tubes) performed - respectively containing small amounts of each of the dideoxynucleotides, together with a fluorescently labeled primer - or in a single tube by the use of dideoxynucleotides with different fluorescent markers and unlabeled primer. The result is a fluorescently labeled Ladder of nucleic acid chains, which complements the sequence of the template strand. cyclic Sequencing reactions are usually on a scale of 10 to 20 μL in a microtiter plate (96-well or 384-well format) in one Thermocycler performed.
4. Aufreinigen4. Purify
Wenn markierte Nukleotid-Terminatoren verwendet werden, sollte die Reaktionsmischung anschließend "aufgereinigt" werden, um nichteingebaute Fluoreszenznukleotide zu entfernen. Diese würden andernfalls in der elektrophoretischen Auftrennung der Sequenzierleiter erscheinen und die Qualität der Ergebnisse vermindern.If labeled nucleotide terminators should be used, the reaction mixture subsequently "cleaned up" to non-built-in Remove fluorescent nucleotides. These would otherwise be in the electrophoretic Separation of the sequencing ladder will appear and the quality of the results Reduce.
Falls Kapillarelektrophoresemaschinen verwendet werden, ist es auch nötig, Salze von den Sequenzierleitern zu entfernen, um die elektrokinetische Einspritzung (Injektion) zu erleichtern. Diese Aufreinigung wird im allgemeinen entweder durch Präzipitation durch Zugabe von Ethanol und Salz oder durch Gelfiltration durchgeführt. In dem Fall von primermarkierten Reaktionen ist Entsalzen nur dann notwendig, wenn Kapillarelektrophorese verwendet werden soll.If It is also necessary to use salts in capillary electrophoresis from the sequencing ladders to remove the electrokinetic To facilitate injection (injection). This purification will generally either by precipitation by addition of ethanol and salt or by gel filtration. In In the case of primer labeled reactions, desalting is only necessary if capillary electrophoresis is to be used.
5. Analyse der Sequenzierungsreaktion5. Analysis the sequencing reaction
Die angehaltene (gestoppte) Sequenzierungsreaktion wird dann für die anschließende Analyse in einem denaturierten Gel, welches ein Slabgel (Plattengel, slab gel, wie zum Beispiel in der ABI PRISM 377 oder ALFexpress verwendet) sein kann, oder in Kapillarsäulen (wie beispielsweise MegaBACE (Amersham Pharmacia Biotech) oder PE ABI 3700 (PE Biosystems)) aufgetrennt.The stopped (stopped) sequencing reaction is then for subsequent analysis in a denatured gel which may be a slab gel (slab gel, slab gel, as used for example in the ABI PRISM 377 or ALFexpress), or in capillary columns (such as MegaBACE (Amersham Pharmacia Biotech) or PE ABI 3700 (PE Biosystems)).
Kürzlich wurde die Automation dieser Schritte mit einem Hauptaugenmerk auf die Mikrofertigung (Mikrofabrikation), das heißt das Durchführen dieser Schritte in möglichst kleinen Volumina, beschrieben.Recently became the automation of these steps with a focus on the Microfabrication, that is, performing these steps in as possible small volumes, described.
Der Hauptanteil der Automationsbemühungen zielte auf die Verwendung von Robotern ab, um die Schritte durchzuführen, welche normalerweise manuell unter Verwendung von Pipetiergeräten und Mikrotiterplatten (96-Well und 384-Well) durchgeführt werden. Die individuellen Schritte werden in separaten Platten durchgeführt, und die Flüssigkeitsüberführungen zwischen den Platten und Formaten werden durch Pipetierroboter durchgeführt. Kürzlich wurden Versuche unternommen, verschiedene Schritte in einer einzigen Vorrichtung zu integrieren, wenngleich diese eine Anzahl von Robotern umfasste. Ein Beispiel ist der Sequatron, welcher von Trevor Hawkins (Whitehead Institute) entwickelt wurde. Dieser besteht aus Robotern, um M13 zu reinigen, und führt Sequenzierungsreaktionen in der Herstellung zur Auftrennung in ultradünnen Slabgelen oder Kapillaren durch. Die Technologie beruht auf der Festphasenisolierung von DNA (siehe zum Beispiel Hawkins, T. L., T. O'Connor-Morin, et al. (1994). "DNA purification and isolation using a solid-phase." Nucleic Acids Res. 22 (21): 4543–4) und ermöglicht Durchsätze von mehr als 25.000 Proben in 24 Stunden. Zusätzlich hat eine Gruppe an der Washington University Roboter zum Aufnehmen (Auswählen) von M13-Plaques und der Templatherstellung wiederum beruhend auf großen Robotern und Multititerplatten entwickelt.Of the Main part of the automation efforts aimed at using robots to perform the steps which usually manually using pipetting equipment and microtiter plates (96 well and 384 well). The individual steps are performed in separate panels, and the liquid transfers between plates and formats are performed by pipetting robots. Recently Attempts have been made to take different steps in a single device although it included a number of robots. An example is the Sequatron, which was developed by Trevor Hawkins (Whitehead Institute) was developed. This consists of robots to M13 to clean, and leads Sequencing reactions in the preparation for separation in ultrathin slab gels or capillaries through. The technology is based on solid phase insulation DNA (see, for example, Hawkins, T.L., T. O'Connor-Morin, et al. (1994). "DNA purification and isolation using a solid phase. "Nucleic Acids Res. 22 (21): 4543-4) and allows throughputs of more than 25,000 samples in 24 hours. In addition, a group has at the Washington University Robot to record (select) from M13 plaques and templating in turn based on large robots and multi-well plates developed.
Verfahren zur Isolierung von DNA unter Anwesenheit von Chaotropen auf mikrobearbeiteten (micromachined) Siliziumstrukturen wurden veröffentlicht (Christel, L. A., K. Petersen, et al. (1999). "Rapid, automated nucleic acid probe assays using silicon microstructures for nucleic acid concentration." J. Biomech. Eng. 121 (1): 22–7). Das US-Patent Nr. 5,882,496 beschreibt die Fertigung und Verwendung von porösen Siliziumstrukturen, um die Oberfläche von erwärmten Reaktionskammern, Elektrophoresevorrichtungen und thermopneumatischen Sensor-Aktuatoren (sensor-actuators), chemischen Vorkonzentraten und Filter- oder Steuerflussvorrichtungen (control flow devices) zu erhöhen. Im Besondern werden solche Siliziumstrukturen mit großer Oberfläche oder spezifischer Porengröße in einer signifikanten Verbesserung der Adsorption, Verdampfung (Verdunstung), Desorption, Kondensation und Strom von Flüssigkeiten und Gasen in Anwendungen, welche solche Verfahren in einem miniaturisierten Maßstab verwenden, nützlich sein.method for the isolation of DNA in the presence of chaotropes on micromachined Silicon structures have been published (Christel, L.A., K. Petersen, et al. (1999). "Rapid, automated nucleic acid probe assays using silicon microstructures for nucleic acid concentration. "J. Biomech. Eng. 121 (1): 22-7). U.S. Patent No. 5,882,496 describes the manufacture and use of porous silicon structures, around the surface from heated Reaction chambers, electrophoresis devices and thermopneumatic Sensor actuators (sensor actuators), chemical preconcentrates and filter or control flow devices to increase. In particular, such silicon structures with a large surface or specific pore size in one significant improvement of adsorption, evaporation (evaporation), Desorption, condensation and flow of liquids and gases in applications, which use such methods on a miniaturized scale, useful be.
Verfahren zur direkten Sequenzierung von Plasmiden aus einzelnen bakteriellen Kolonien in Quarzglaskapillaren (fused silica capillaries) wurden entwickelt (Zhang, Y., H. Tan, et al. (1999). "Multiplexed automated DNA sequencing directly from single bacterial colonies." Analytical Chemistry 71 (22): 5018–25). Alternative Verfahren schließen die Trennung in Glasschips, einschließlich Detektionsverfahren, welche auf Laseranregungs-Konfokalmikroskopie (laser-excited confocal microscopy) beruhen (siehe beispielsweise Kheterpal, I. und R. A. Mathies (1999). "Capillary array electrophoresis DNA sequencing." Analytical Chemistry 71 (1): 31A–37A), ein.method for direct sequencing of plasmids from single bacterial Colonies in fused silica capillaries have been developed (Zhang, Y., H. Tan, et al. (1999). "Multiplexed automated DNA sequencing directly from single bacterial colonies. "Analytical Chemistry 71 (22): 5018-25) Close the procedure separation into glass chips, including detection methods, which are based on laser excitation confocal microscopy (laser-excited confocal microscopy) (see for example Kheterpal, I. and R.A. Mathies (1999). "Capillary array electrophoresis DNA sequencing. "Analytical Chemistry 71 (1): 31A-37A).
Das US-Patent 5,610,074 beschreibt einen Zentrifugalrotor für die Isolierung, in einer Reihe von Schritten, einer Substanz aus einer Mischung von Substanzen, welche in einer Probenflüssigkeit gelöst, suspendiert oder verteilt sind. Viele Proben werden simultan mittels einer Vielzahl von Fraktionierungszellen bearbeitet, wobei jede eine Reihe von untereinander verbundenen (interkonnektierten), abgeschrägten und belüfteten Kompartments enthält, in welchen individuelle Schritte des Fraktionierungs- und Isolierungsverfahrens stattfinden. In diesem Zentrifugalrotor wird das spezifische Kompartment, welches durch die Probenflüssigkeit oder eine ihrer Fraktionen bei einem beliebigen Schritt des Verfahrens belegt ist, durch eine Kombination von sowohl der Geschwindigkeit als auch der Richtung der Rotation des Rotors und der Schwerkraft bestimmt. Die Zwischenverbindungen, Kammern und Passagen jedes Kompartments sind bemessen und angewinkelt, um zu verhindern, dass vordefinierte Mengen von Probe und Reagenzflüssigkeiten über das Kompartment überlaufen. Indes ist ein solcher Rotor relativ sperrig, benötigt relativ große Volumina an Lösungen und ist kompliziert in der Herstellung.The US Patent 5,610,074 describes a centrifugal rotor for insulation, in a series of steps, a substance of a mixture of substances dissolved in a sample liquid suspended or distributed. Many samples are made simultaneously by a variety processed by fractionation cells, each one a number of each other connected (interconnected), sloping and ventilated compartments contains in which individual steps of the fractionation and isolation process occur. In this centrifugal rotor is the specific compartment, which through the sample fluid or one of their fractions at any step of the process is evidenced by a combination of both the speed as well as the direction of rotation of the rotor and gravity certainly. The interconnections, chambers and passages of each compartment are sized and angled to prevent predefined Quantities of sample and reagent liquids over the Overflowed the compartment. However, such a rotor is relatively bulky, requires relatively large volumes at solutions and is complicated in production.
Mikroanalysesysteme, welche auf Mikrokanälen aufbauen, die in einer rotierbaren, gewöhnlich aus Kunststoff bestehenden Platte gebildet sind, werden häufig ein "Zentrifugalrotor", "Labor auf einem Chip" oder "CD-Vorrichtungen" bezeichnet. Solche Platten können verwendet werden, um die Analyse und Auftrennung von kleinen Mengen an Fluiden durchzuführen. Das Prinzip der Bewegung von Flüssigkeiten durch Kanäle in einer Kunststoffplatte zum Zwecke der Durchführung von enzymatischen Assays wird beispielsweise beschrieben in Duffy, D. C., H. L. Gillis, et al. (1999). "Microfabricated centrifugal microfluidic systems: characterization and multiple enzymatic assays." Analytical Chemistry 71 (20): 4669–4678. Eine Art von geeigneter Kunststoffplatte ist eine solche, welche als Kompaktdisketten (compact discs) oder CDs bezeichnet werden.Microanalysis systems, which on microchannels build in a rotatable, usually made of plastic Plate are made often a "centrifugal rotor", "laboratory on a chip" or "CD devices". Such plates can used to analyze and separate small quantities to perform on fluids. The principle of movement of liquids through channels in a plastic plate for the purpose of performing enzymatic assays is described, for example, in Duffy, D.C., H.L. Gillis, et al. (1999). "Microfabricated centrifugal microfluidic systems: characterization and multiple enzymatic assays. "Analytical Chemistry 71 (20): 4669-4678. One type of suitable plastic plate is one which be referred to as compact discs or compact discs.
Wenn solche Platten rotiert werden, wird eine Zentripetalkraft in Richtung der Mitte der Platte gerichtet. Wo ein Fluid in der Platte ist, kann diese Zentripetalkraft das Ergebnis von verschiedenen Kräften, einschließlich Oberflächenspannung, Zugkräften und Kapillarkraft, sein. Bewegung der Fluide in Richtung des äußeren Durchmessers der Platte wird durch Überwinden der Zentripetalkraft, gewöhnlich durch Erhöhen der Rotationsgeschwindigkeit der Platte, erreicht.When such plates are rotated, a centripetal force is directed toward the center of the plate. Where there is a fluid in the plate, this centripetal force can be the result of different Forces, including surface tension, tensile forces and capillary force. Movement of the fluids in the direction of the outer diameter of the plate is achieved by overcoming the centripetal force, usually by increasing the rotational speed of the plate.
Um die Kosten zu verringern, ist es wünschenswert, dass die Platten nicht auf die Verwendung mit nur einer Art von Reagenz oder Fluid beschränkt sind, sondern mit einer Vielzahl von Fluiden arbeiten können. Überdies ist es oft während der Herstellung von Proben wünschenswert, dass die Platte es dem Verwender erlaubt, genaue Volumina einer beliebigen gewünschten Kombination an Fluiden oder Proben ohne Modifizierung der Platte abzugeben. Aufgrund der geringen Breite der Mikrokanäle können irgendwelche Luftblasen, welche zwischen zwei Proben von Fluiden in den Mikrokanälen anwesend sind, als Trennungsbarrieren wirken oder können den Mikrokanal blockieren und dadurch verhindern, dass ein Fluid einen Mikrokanal betritt, welchen es betreten soll. Um dieses Problem zu überwinden, lehrt das US-Patent Nr. 5,591,643 die Verwendung eines Zentrifugalrotors mit Mikrokanälen, welche Querschnittsflächen haben, die genügend groß sind, dass ungewünschte Luft aus dem Mikrokanal zur gleichen Zeit entlüftet werden kann, wie das Fluid den Mikrokanal betritt.Around To reduce costs, it is desirable that the plates not for use with just one type of reagent or fluid limited but can work with a variety of fluids. moreover it is often during the production of samples desirable, that the plate allows it to the user, exact volumes of any desired Combination on fluids or samples without modification of the plate leave. Due to the small width of the microchannels can any Bubbles present between two samples of fluids in the microchannels are, act as separation barriers or can block the microchannel and thereby prevent a fluid from entering a microchannel, which one should enter. To overcome this problem, the US patent teaches No. 5,591,643 disclose the use of a centrifugal rotor with microchannels having cross-sectional areas, enough are that big undesirable Air from the microchannel can be vented at the same time as the fluid Microchannel enters.
Sowohl die WO-A-91/21090 als auch die US-A-5,863,708 betreffen ein Verfahren zur Nucleinsäureverarbeitung, einschließlich des Schrittes der Nucleinsäureamplifikation, welches auf einer Platte mit einer Vielzahl an Mikrostrukturen für den Fluidstrom stattfindet.Either WO-A-91/21090 and US-A-5,863,708 relate to a process for nucleic acid processing, including the step of nucleic acid amplification, which on a plate with a variety of microstructures for the fluid flow takes place.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat für die Integration der Schritte der Templatisolierung, der cyclischen Sequenzierung und der Aufreinigung in eine CD-Vorrichtung und Verfahren für die Verwendung dieses Apparates. Im besonderen be trifft die vorliegende Erfindung eine einzelne geschlossene Vorrichtung, welche in der Lage ist, eine große Anzahl an Proben zu handhaben und so die Automation stark zu vereinfachen, den Reagenzverbrauch und damit die Gesamtkosten und die Größe der benötigten Ausrüstung zu reduzieren. Bisher gibt es keine Berichte über einen Apparat mit einem ähnlichen Grad an Integration, welcher innerhalb einer einzelnen eingeschlossenen Struktur die Isolierung einer DNA-Templat-Bakterienkolonie bis zum Erhalten einer aufgereinigten Sequenzierungsreaktion erlaubt.The The present invention relates to an apparatus for integrating the steps template isolation, cyclic sequencing, and purification in a CD device and methods for the Use of this apparatus. In particular, be the present meets Invention a single closed device, which in the Location is a big one Handle number of samples, greatly simplifying automation, Reagent consumption and thus the total cost and size of the required equipment to reduce. So far, there are no reports of an apparatus with a similar one Degree of integration, which is included within a single Structure the isolation of a DNA-templated bacterial colony by Obtain a purified sequencing reaction allowed.
Demgemäss wird in einem ersten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Durchführung einer Reihe von Schritten bereitgestellt, umfassend:
- a) den Schritt der Nucleinsäuretemplat-Aufreinigung;
- b) den Schritt einer Thermocycling-Reaktion; und
- c) den Schritt der Reinigung der Produkte von Schritt b)
- a) the step of nucleic acid template purification;
- b) the step of a thermocycling reaction; and
- c) the step of purifying the products of step b)
Geeigneterweise kann das Nucleinsäuretemplat Plasmid-DNA sein, obwohl genomische eukaryotische oder prokaryotische abgeleitete Template auch verwendet werden können. Andere Nucleinsäuretemplate können aus bakteriellen künstlichen Chromosomen (bacterial artificial chromosomes, BACs) oder aus Phage M13 unter Verwendung von geeigneten Extraktions- und Reinigungsprotokollen, welche dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, gereinigt werden.suitably may be the nucleic acid template Be plasmid DNA, although genomic eukaryotic or prokaryotic derived template can also be used. Other nucleic acid templates can from bacterial artificial chromosomes (bacterial artificial chromosomes, BACs) or from phage M13 under Use of suitable extraction and purification protocols which are known to those of ordinary skill in the art.
In einer anderen Ausführungsform kann die Thermocycling-Reaktion direkt auf einem einfachen bakteriellen Extrakt ohne vorherige Isolierung des Plasmids durchgeführt werden.In another embodiment The thermocycling reaction can be directly on a simple bacterial Extract without prior isolation of the plasmid can be performed.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes kann der Fluidstrom durch die mikrofluidische Platte durch Rotieren der Platte bewirkt werden. Die Platte kann bei verschiedenen Geschwindigkeiten im Bereich von ungefähr 250 Umdrehungen pro Minute (niedrige Geschwindigkeit) bis 15.000 Umdrehungen pro Minute (hohe Geschwindigkeit) rotiert (oder gesponnen) werden. Die tatsächliche Geschwindigkeit, welche benötigt wird, um den richtigen Strom von Fluiden durch die Platte bei einem bestimmten Schritt des Verfahrens zu erreichen, wird von einer Anzahl von Faktoren abhängen, einschließlich:
- – der Position der Struktur auf der mikrofluidischen Platte (das heißt je weiter die Struktur von dem Zentrum der Platte entfernt ist, desto niedriger die benötigten Umdrehungen pro Minute, um die gleiche Zentrifugalkraft zu erreichen, wie in einer Struktur, welche näher am Zentrum der Platte liegt);
- – der physikalischen Dimensionen der Struktur, durch welche die Flüssigkeit passieren muss;
- – der Viskosität der Flüssigkeit; und
- – der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Oberflächen in der Struktur.
- The position of the structure on the microfluidic plate (that is, the farther the structure is from the center of the plate, the lower the number of revolutions per minute required to achieve the same centrifugal force as in a structure closer to the center of the plate lies);
- The physical dimensions of the structure through which the fluid must pass;
- - the viscosity of the liquid; and
- - the chemical and physical properties of the surfaces in the structure.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspektes ist die Thermocycling-Reaktion, Schritt b), eine Nucleinsäure-Sequenzierungsreaktion oder cyclische Sequenzierungsreaktion. Andere bevorzugte Thermocycling-Reaktionen schließen Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) ein.In a particularly preferred embodiment of the first aspect is the thermocycling reaction, step b), a nucleic acid sequencing reaction or cyclic sequencing reaction. Other preferred thermocycling reactions shut down Polymerase Chain Reactions (PCR).
In einer anderen Ausführungsform des ersten Aspekts umfasst das Verfahren weiter:
- d) den Schritt der Trennung der gereinigten Produkte, welche in Schritt c) erhalten wurden;
- d) the step of separating the purified Pro products obtained in step c);
In besonders bevorzugten Ausführungsformen wird der Schritt a) durch Passieren des Nucleinsäuretemplats durch eine Reinigungssäule in einer Mikrostruktur, welche in einer mikrofluidischen Platte enthalten ist, und der Schritt c) durch Passieren der Produkte von Schritt b) durch eine Gelfiltrationssäule in einer in einer Mikrostruktur, welche in einer mikrofluidischen Platte enthalten ist, durchgeführt.In particularly preferred embodiments Step a) is accomplished by passing the nucleic acid template through a purification column in a microstructure, which is contained in a microfluidic plate, and the step c) by passing the products of step b) through a gel filtration column in one in a microstructure, which in a microfluidic plate contained, performed.
In einer Ausführungsform des ersten Aspektes wird ein Verfahren zur Durchführung einer Nucleinsäure-Sequenzierungsreaktion auf einer Templatnucleinsäure bereitgestellt, wobei das Verfahren:
- a) Behandeln einer Kultur von Zellen, enthaltend eine Templatnucleinsäure, mit einem Lyse-Reagenz, so dass die cytoplasmatischen Membranen lysiert werden;
- b) Einführen des Lysats von Schritt a) in Mikrostrukturen für Fluide auf einer mikrofluidischen Platte, wobei jede der Mikrostrukturen eine erste Kammer, welche ein Mittel für die Reinigung von Templatnucleinsäure einbaut, eine zweite Kammer, welche ein Mittel für eine Thermocycling-Reaktion einbaut, und eine dritte Kammer, welche ein Mittel für die Reinigung von Produkten der Thermocycling-Reaktion einbaut, umfasst; und
- c) Entfernen der gereinigten Produkte für die Analyse
- a) treating a culture of cells containing a template nucleic acid with a lysis reagent so that the cytoplasmic membranes are lysed;
- b) introducing the lysate of step a) into microstructures for fluids on a microfluidic plate, each of the microstructures incorporating a first chamber incorporating a means for purifying template nucleic acid, a second chamber incorporating a means for a thermocycling reaction, and a third chamber incorporating a means for purifying products of the thermocycling reaction; and
- c) removing the purified products for analysis
In einer Ausführungsform können die nach der Reinigung in der dritten Kammer erhaltenen gereinigten Produkte in einen Kapillarelektrophorese-DNA-Sequenzierer (wie beispielsweise MegaBACETM (Amersham Pharmacia Biotech)) zur Analyse zum Erhalten von Templat-Sequenzdaten überführt werden. In einer anderen Ausführungsform können die gereinigten Produkte in einer kreisförmigen (zirkularen) Vorrichtung, welche mit der mikrofluidischen "Probenherstellungs"-Platte direkt verbunden ist, analysiert werden.In one embodiment, the purified products obtained after purification in the third compartment may be transferred to a capillary electrophoresis DNA sequencer (such as MegaBACE ™ (Amersham Pharmacia Biotech)) for analysis to obtain template sequence data. In another embodiment, the purified products may be analyzed in a circular (circular) device directly connected to the microfluidic "sample preparation" plate.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Eluat aus der ersten Kammer anfänglich in eine volumendefinierende Struktur geleitet werden, um genaue Überführung des richtigen Volumens an Flüssigkeit in die zweite Kammer, welche ein Mittel für die Thermocycling-Reaktion einbaut, sicherzustellen.In a further embodiment For example, the eluate from the first chamber may initially be in a volume-defining Structure are routed to accurately transfer the correct volume on liquid in the second chamber, which is a means for the thermocycling reaction built-in, ensure.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Mikrostruktur für Fluide bereitgestellt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass sie:
- a) mindestens eine Einlassöffnung; verbunden mit
- b) einer ersten Kammer, welche ein Mittel für die Reinigung von Templat-Nucleinsäure einbaut; verbunden mit
- c) einer zweiten Kammer, welche ein Mittel für eine Thermocycling-Reaktion einbaut; verbunden mit
- d) einer dritten Kammer, welche eine Mittel für die Reinigung von Produkten der Thermocycling-Reaktion einbaut,
- a) at least one inlet opening; attached to
- b) a first chamber which incorporates a means for the purification of template nucleic acid; attached to
- c) a second chamber which incorporates a means for a thermocycling reaction; attached to
- d) a third chamber which incorporates means for the purification of products of the thermocycling reaction,
In einer bevorzugten Ausführungsform des zweiten Aspektes umfasst die Mikrostruktur für Fluide weiter:
- e) eine vierte Kammer, welche ein Mittel zum Anwenden eines Elektropotentials quer durch eine Trennmatrix einbaut, verbunden mit der dritten Kammer.
- e) a fourth chamber which incorporates means for applying an electrical potential across a separation matrix connected to the third chamber.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird die elektrophoretische Trennung der Sequenzierleiter in der gleichen mikrofluidischen Platte oder CD durchgeführt. Die Trennung wäre von der äußeren Peripherie der kreisförmigen Vorrichtung einwärts zu dem Zentrum, wo ein einzelner Detektor die Banden detektieren kann, wie sie passieren (zum Beispiel beschrieben in Shi, Y., P. C. Simpson, et al. (1999). "Radial capillary array electrophoresis microplate and scanner for high-performance nucleic acid analysis." Analytical Chemistry 71 (23): 5354–61). Dies würde eine weitere Verkleinerung in dem Maßstab der Probenherstellung und einen signifikanten Anstieg in der Kompaktheit und Automation des gesamten Verfahrens erlauben.In this embodiment The invention relates to the electrophoretic separation of the sequencing ladder performed in the same microfluidic plate or CD. The Separation would be from the outer periphery the circular one Device inwards to the center where a single detector detects the bands can as they happen (for example described in Shi, Y., P. C. Simpson, et al. (1999). "Radial capillary array electrophoresis microplate and scanner for high-performance nucleic acid analysis. "Analytical Chemistry 71 (23): 5354-61). This would one further reduction in scale sample preparation and a significant increase in compactness and automation of the entire process.
Geeignetenweise können die Kammern und Kanäle, welche die Mikrostruktur umfassen, Tiefen in dem Bereich von ungefähr 10 bis 500 Mikrometer aufweisen.suitable manner can the chambers and channels, which include the microstructure, depths in the range of about 10 to 500 microns have.
In einer anderen Ausführungsform des zweiten Aspektes umfasst die Mikrostruktur für Fluide weiter eine Vielzahl an Einlassöffnungen und Ablauföffnungen (Abfallöffnungen), die so angeordnet sind, dass sie die Einführung von Probe und Reagenzien und den Auslass von Abfallprodukten ermöglichen.In another embodiment of the second aspect, the fluid microstructure further comprises a plurality at inlet openings and drain holes (Waste ports), which are arranged to allow the introduction of sample and reagents and allow the outlet of waste products.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform können die Ablauföffnungen mit einer Vakuumpumpe für einen wirksamen Auslass des Abfalls verbunden sein.In a particularly preferred embodiment can the drain holes with a vacuum pump for be connected to an effective outlet of the waste.
In einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Apparat zum Durchführen einer Thermocycling-Reaktion auf einer Templatnucleinsäure bereitgestellt, wobei der Ap parat eine mikrofluidische Platte umfasst, wobei die Platte eine Vielzahl von radial verteilten Mikrostrukturen für Fluide gemäß dem zweiten Aspekt umfasst.In a third aspect of the invention, there is provided an apparatus for performing a thermocycling reaction on a template nucleic acid, the apparatus comprising a microfluidic plate, the plate having a plurality of radial distributed microstructures for fluids according to the second aspect.
In einer Ausführungsform des dritten Aspektes werden eine Anzahl an Mikrostrukturen auf einer einzelnen mikrofluidischen Platte eingebaut. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anzahl an Mikrostrukturen zwischen 1 und 1000, bevorzugt 80 bis 100, welche auf einer einzelnen Platte radial angeordnet sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wären 96 Mikrostrukturen auf einer einzelnen Platte angeordnet, um den Plattenapparat mit den 96-Well-Assayformaten kompatibel zu machen.In an embodiment of the third aspect, a number of microstructures on a single built-in microfluidic plate. In a preferred embodiment The number of microstructures between 1 and 1000 is preferred 80 to 100 arranged radially on a single plate are. In a particularly preferred embodiment, there would be 96 microstructures arranged on a single plate to the plate apparatus with the 96-well assay formats compatible.
Geeignetenweise ist der Apparat aus einer 12 cm-Kompaktdiskette gebildet.suitable manner the apparatus is formed from a 12 cm compact disc.
In einer anderen Ausführungsform des dritten Aspektes kann der Apparat weiter eine Vielzahl an Wells (Ausbuchtungen) umfassen, welche für eine Bakterienkultur- oder anfängliche Nucleinsäuretemplat-Herstellung auf der gleichen Platte geeignet sind. Dies hätte den Vorteil, dass die Notwendigkeit eines Formatwechsels zwischen Mikrotiterplatte und mikrofluidischer Platte beseitigt wäre.In another embodiment In the third aspect, the apparatus may further include a plurality of wells (Bulges) which are for a bacterial culture or initial Nucleic acid template production are suitable on the same plate. This would have the advantage of being the necessity a format change between microtiter plate and microfluidic Plate would be eliminated.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Einlassöffnungen der Mikrostrukturen auf der mikrofluidischen Platte mit einem zentralisierten Verteilungskanal verbunden, wie beispielsweise einem gemeinsamen ringförmigen (kranzförmigen) Kanal, so dass eine zentralisierte Verteilung von Reagenzien in alle Mikrostrukturen auf einer Platte zur gleichen Zeit ermöglicht wird. Vorzugsweise sind die Ablaufkanäle durch einen gemeinsamen ringförmigen Ablaufkanal verbunden, welcher in einer Ausführungsform in Richtung der äußeren Peripherie der Platte orientiert sein kann. Ebenso sind eine Vielzahl von Belüftungen in den Mikrostrukturen bevorzugt, welche einen Flüssigkeitsstrom durch die integrierte Struktur erlauben.In a preferred embodiment are the inlet openings the microstructures on the microfluidic plate with a centralized Distribution channel connected, such as a common annular (Annular) Channel, allowing a centralized distribution of reagents in all Microstructures on a plate at the same time is made possible. Preferably, the drainage channels are through a common annular Drain channel connected, which in one embodiment in the direction of the outer periphery the plate can be oriented. Likewise, a variety of aeration in the microstructures, which is a liquid stream allow through the integrated structure.
Kurze Beschreibung der Figuren:Short description of Characters:
Die vorliegende Erfindung wird durch nicht-beschränkende Beispiele für Ausführungsformen mittels der folgenden Figuren verdeutlicht, worin:The The present invention is illustrated by non-limiting examples of embodiments illustrated by the following figures, wherein:
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen, die die Erfindung verdeutlichenDetailed description of embodiments that illustrate the invention
Ein
Beispiel einer Mikrostruktur für
Fluide (
Geeigneterweise ist die mikrofluidische Platte aus einer einteilig oder zweiteilig geformten Konstruktion und wird aus einem wahlweise transparenten Kunststoff oder polymeren Material mittels separater Formteile gebildet, welche zusammengesetzt werden (beispielsweise durch Erwärmen), um eine geschlossene Struktur mit Öffnungen an definierten Positionen bereitzustellen, um ein Beladen der Vorrichtung mit Flüssigkeiten und ein Entfernen von flüssigen Proben zu ermöglichen. Geeignete Kunststoffe oder polymere Materialien können derart ausgewählt sein, dass sie hydrophobe Eigenschaften aufzuweisen. Bevorzugte Kunststoffe oder polymere Materialien haben vorzugsweise geringe Selbstfluoreszenz und sie sind aus Polystyren und Polycarbonat ausgewählt. Als Alternative kann die Oberfläche der Mikrokanäle durch chemische oder physikalische Mittel zusätzlich selektiv modifiziert werden, um die Oberflächeneigenschaften so zu ändern, dass lokalisierte Bereiche von Hydrophobizität oder Hydrophilizität innerhalb der Mikrokanäle hergestellt werden, um eine gewünschte Eigenschaft zu verleihen. Bevorzugte Kunststoffe werden aus Polymeren mit einer geladenen Oberfläche, geeigneterweise chemisch oder mit Ionenplasma behandeltem Polystyren, Polycarbonat oder anderen starren transparenten Polymeren ausgewählt.Conveniently, the microfluidic plate is of a one-piece or two-piece construction and is formed of an optionally transparent plastic or polymeric material by means of separate moldings which are assembled (e.g., by heating) to provide a closed structure with openings at defined positions to facilitate loading allow the device with liquids and a removal of liquid samples. Suitable plastics or polymeric materials may be selected to have hydrophobic properties. Preferred plastics or polymeric materia They preferably have low self-fluorescence and are selected from polystyrene and polycarbonate. Alternatively, the surface of the microchannels may be additionally selectively modified by chemical or physical means to alter the surface properties to produce localized areas of hydrophobicity or hydrophilicity within the microchannels to impart a desired property. Preferred plastics are selected from polymers having a charged surface, suitably chemically or ion-plasma treated polystyrene, polycarbonate or other rigid transparent polymers.
Die Mikrokanäle können durch Mikrobearbeitungsverfahren (micro-machined methods) gebildet werden, in welchen die Mikrokanäle in die Oberfläche der Platte mikrobearbeitet werden und eine Deckplatte, wie beispielsweise eine Kunststoffplatte, auf der Oberfläche so angeklebt (angehaftet) wird, dass die Kanäle eingeschlossen werden.The microchannels can be formed by micro-machined methods, in which the microchannels into the surface of the Be micromachined plate and a cover plate, such as a plastic plate, glued (stuck) to the surface that will be the channels be included.
Hydrophobe Unterbrechungen können in die Mikrokanalstrukturen eingeführt werden, wie beispielsweise durch Markieren mit einem Overhead-Stift (permanente Tinte) (Snowman pen, Japan). Der Zweck der hydrophoben Unterbrechungen ist es zu verhindern, dass die Kapillarwirkung das Fluid in ungewünschte Richtungen zieht. Hydrophobe Unterbrechungen können durch Zentrifugalkraft, das heißt durch das Rotieren der Platte bei einer hohen Geschwindigkeit, überwunden werden.hydrophobic Interruptions can introduced into the microchannel structures, such as by marking with an overhead pen (permanent ink) (Snowman pen, Japan). The purpose of the hydrophobic breaks is to prevent the capillary action the fluid in undesired directions draws. Hydrophobic interruptions can be caused by centrifugal force, the is called by rotating the plate at a high speed, overcome become.
In
der
Die
Die
Geeigneterweise können die Einlassöffnungen und Ablauföffnungen mit einem ringförmigen Verteilungskanal verbunden sein.suitably can the inlet openings and drain holes with an annular distribution channel be connected.
Geeigneterweise können die Auslassöffnungen mit einem Vakuum verbunden sein, so dass die Entfernung von Abfall erleichtert werden kann.suitably can the outlet openings be connected to a vacuum, so that the removal of waste can be relieved.
Die Mikrostruktur umfasst weiter eine Reihe von Kammern. Die Bewegung von Flüssigkeiten durch die Mikrokanäle und Kammern, wenn die mikrofluidischen Platte in Betrieb ist, wird jetzt beschrieben.The Microstructure further includes a series of chambers. The movement of liquids the microchannels and chambers when the microfluidic plate is in operation now described.
Vor der Probenzugabe werden zwei Reinigungssäulen in die Mikrostruktur wie folgt eingeführt:
- 1. Nacktes SephasilTM (naked
sephasil) in flüssiger
Suspension wird in eine Kammer (
13 ) durch die Einlassöffnung (5 ) eingeführt und die mikrofluidische Platte wird rotiert. Die Bewegung des Sephasil wird durch eine Änderung in der Tiefe von > 20 μm zu < 10 μm (gezeigt als schattierter Bereich (14 )) zur Bildung einer Sephasil-Säule (15 ) angehalten. Andere geeignete Matrizes sollten vorzugsweise monodisperse Ku geln (spheres) sein, welche einfach zu packen sind, und einen Durchmesser in dem Bereich von 15 bis 50 μm aufweisen. Die1c zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ablaufsteuerstruktur (34 ), gezeigt in der Mikrokanalstruktur der1b , welche die Entfernung der Flüssigkeit aus der Sephasil-Suspension erlaubt. Beim Rotieren der Platte bei einer niedrigen Geschwindigkeit wird die Ablaufflüssigkeit von der Sephasil-Suspension der Wand der nächsten Öffnung folgen (das heißt der Richtung, welche durch den Pfeil a gekennzeichnet ist) und die Struktur durch eine Ablauföffnung (6 ) verlassen. - 2. SephadexTM G-50 (DNA-Grad) in flüssiger Suspension
wird in eine Kammer (
16 ) durch die Einlassöffnung (9 ) eingeführt. Beim Rotieren der mikrofluidischen Platte wird die Bewegung des Sephadex G-50 aus der Kammer (16 ) durch eine Änderung in der Tiefe von > 20 μm zu < 10 μm angehalten (durch schattierten Bereich (17 ) gekennzeichnet), um ein Sephadex-G50-Bett (35 ) zu bilden.
- 1. Naked Sephasil ™ (naked sephasil) in liquid suspension is placed in a chamber (
13 ) through the inlet opening (5 ) and the microfluidic plate is rotated. The motion of Sephasil is represented by a change in depth from> 20 μm to <10 μm (shown as a shaded area (14 )) to form a Sephasil column (15 ) stopped. Other suitable matrices should preferably be monodisperse spheres which are easy to pack and have a diameter in the range of 15 to 50 μm. The1c shows an enlarged view of a flow control structure (34 ), shown in the microchannel structure of1b , which allows the removal of the liquid from the Sephasil suspension. When rotating the plate at a low speed, the effluent from the Sephasil suspension will follow the wall of the next orifice (ie the direction indicated by the arrow a) and the structure through a drain orifice (FIG.6 ) leave. - 2. Sephadex ™ G-50 (DNA grade) in liquid suspension is placed in a chamber (
16 ) through the inlet opening (9 ) introduced. When rotating the microfluidic plate, the movement of the Sephadex G-50 out of the chamber (16 ) by a change in the depth of> 20 microns to <10 microns (by shaded area (17 ) draws a Sephadex G50 bed (35 ) to build.
Die
Flüssigkeit
aus der Suspension wird durch Anwenden einer ausreichenden Zentrifugalkraft
(durch Rotieren der mikrofluidischen Platte) entfernt, so dass sie
die Mikrostruktur durch die Ablauföffnung (
Die mikrofluidische Platte ist nun für die Probenzugabe bereit.The Microfluidic plate is now for the sample addition ready.
Wenn
die Probe bakterielle Plasmid-Nucleinsäure ist, wird der Überstand
aus bakterieller Lyse zu der ersten Kammer (
Das
Plasmid wird von der SephasilTM-Säule durch
Zugabe von Wasser zu der ersten Kammer (
Die
Flüssigkeit
in der Kammer (
Eine
cyclische Sequenzierungsreaktion wird durch periodisches Durchlaufen
(Cycling) der Temperatur der Kammer (
Wenn
das periodische Durchlaufen vollständig ist, wird ein Flüssigkeitsstopfen
(Flüssigkeitspfropf,
liquid plug) in die Kammer (
Ein
Medium für
die Elektrophorese, wie beispielsweise eine Gelmatrix mit hoher
Viskosität,
wird in den Kanal (
Bezug
nehmend auf die
Ein
Elektropotential wird zwischen den Kammern (
In
der alternativen Ausführungsform
der Mikrostruktur gemäß der Erfindung,
welche in der
In dieser Ausführungsform werden die Produkte in einem ungefähr Submikroliter-Volumen erhalten, welches durch die Zugabe einer Flüssigkeit (beispielsweise Formamid oder Wasser) für die Überführung in eine separate Struktur für die weitere Analyse verdünnt werden kann.In this embodiment the products are obtained in about submicroliter volume, which by the addition of a liquid (for example, formamide or water) for the transfer into a separate structure for dilute the further analysis can be.
Die
Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf das folgende nicht-beschränkende Beispiel beschrieben.The Invention will be further understood by reference to the following non-limiting example described.
Beispiel 1example 1
- 1. Transformierte Bakterien werden auf einer Agarplatte verteilt, welche LB-Medium und Glucose mit 100 μg/mL Ampicillin und sogar Indikator enthält. Die Platte wird über Nacht bei 37°C inkubiert.1. Transformed bacteria are on an agar plate containing LB medium and glucose containing 100 μg / mL ampicillin and even indicator. The Plate is over Night at 37 ° C incubated.
- 2. Von einzelnen bakteriellen Zellen abgeleitete Kolonien (Klone) werden mit dem Auge (oder unter Verwendung eines Roboters) nachgewiesen (identifiziert). Die Kolonie wird in ein Well in einer mikrofluidischen Platte durch Resuspension in ungefähr 10 μL einer isotonischen Lösung überführt.2. Colonies Derived from Individual Bacterial Cells (Clones) are detected (identified) by eye (or using a robot). The colony is passed through into a well in a microfluidic plate Resuspension in about 10 μL one transferred isotonic solution.
- 3. Die bakteriellen Zellen werden durch Zentrifugieren sedimentiert (herunterrotiert, spin down) und der Überstand wird verworfen.3. The bacterial cells are sedimented by centrifugation (spin down, spin down) and the supernatant is discarded.
- 4. Drei Mikroliter einer Lösung I (100 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM EDTA, 400 μg/mL RNase I) werden hinzugegeben und die bakteriellen Zellen werden mit einem Pipetierroboter resuspendiert und für drei Minuten inkubiert (Hinweis: alle Reagenzien für die Plasmidherstellung werden aus dem GFX Micro Plasmid Prep KitTM, Amersham Pharmacia Biotech, genommen).4. Three microliters of solution I (100 mM Tris-HCl, pH 7.5, 10 mM EDTA, 400 μg / mL RNase I) are added and the bacterial cells are resuspended with a pipetting robot and incubated for three minutes (Note: all reagents for plasmid preparation is taken from the GFX Micro Plasmid Prep Kit ™ , Amersham Pharmacia Biotech).
- 5. Drei Mikroliter einer Lösung II (190 mM NaOH, 1% w/v SDS) werden unter Mischen mit einem Pipetierroboter hinzugegeben, gefolgt von Inkubieren für drei Minuten.5. Three microliters of a solution II (190 mM NaOH, 1% w / v SDS) are mixed with a pipetting robot added, followed by incubation for three minutes.
- 6. Sechs Mikroliter einer Lösung III (gepufferte Lösung, enthaltend Acetat und Chaotrop) werden unter Mischen mit dem Pipetierroboter hinzugegeben.6. Six microliters of a solution III (buffered solution, containing acetate and chaotrope) are mixed with the pipetting robot added.
- 7. Die Mischung wird zentrifugiert und der Überstand in eine Struktur für die Plasmidisolierung überführt.7. The mixture is centrifuged and the supernatant transferred to a structure for plasmid isolation.
- 8. Der Überstand wird durch ein Bett von nackten SephasilTM-Beads (Perlen) passiert (vorher bereits hergestellt durch Hinzugabe von SephasilTM zu der Mikrostruktur und Rotieren der mikrofluidischen Platte bei ungefähr 1.000 Umdrehungen pro Minute, um die Flüssigkeit zu entfernen), welche an der Grenzfläche zwischen den tiefen und flachen Abschnitten in der Struktur eingefangen sind. Das Plasmid wird auf der SephasilTM-Säule eingefangen, und beim Rotieren der mikrofluidischen Platte passiert ungebundenes Material durch einen Ablaufkanal nach außen.8. The supernatant is passed through a bed of bare Sephasil ™ beads (previously prepared by adding Sephasil ™ to the microstructure and rotating the microfluidic plate at about 1,000 rpm to remove the fluid) are trapped at the interface between the deep and flat sections in the structure. The plasmid is captured on the Sephasil ™ column, and as the microfluidic plate rotates, unbound material passes out through a drainage channel.
- 9. Die Säule wird mit Waschlösung (Tris-EDTA-Puffer, enthaltend 80% Ethanol) gewaschen, um kontaminierende Proteine zu entfernen. Wiederum werden die Waschungen zum Ablauf durch Rotieren der mikrofluidischen Platte bei ungefähr 1.000 Umdrehungen pro Minute umgeleitet.9. The column is with washing solution (Tris EDTA buffer containing 80% ethanol) washed to contaminating Remove proteins. Again, the washings become the drain by rotating the microfluidic plate at about 1,000 Diverted revolutions per minute.
- 10. Das Plasmid wird durch Zugabe von 1 bis 2 μL Wasser eluiert, gefolgt von Rotieren bei einer höheren Geschwindigkeit. Dieses Eluat wird in eine Thermocycling-Kammer geleitet, wo cyclische Sequenzierung in einem Gesamtvolumen von 250 bis 500 μL durchgeführt werden soll.10. The plasmid is made by adding 1 to 2 μL of water eluted, followed by spinning at a higher speed. This Eluate is placed in a thermocycling chamber directed, where cyclic sequencing in a total volume of 250 to 500 μL carried out shall be.
- 11. Parallell zu Schritt 10 werden die Reagenzien für die cyclische Sequenzierung (Enzym, Primer, Puffer, Nukleotide und fluoreszierende Terminatoren) (erhalten von DYEnamic ETTM dye terminator kit (MegaBACETM)) in die gleiche Thermocycling-Kammer eingeführt.11. Parallel to step 10, the cyclic sequencing reagents (enzyme, primers, buffers, nucleotides, and fluorescent terminators) (obtained from DYEnamic ET ™ dye terminator kit (MegaBACE ™ )) are introduced into the same thermocycling chamber.
- 12. Thermocycling wird durchgeführt durch abwechselndes Anwendung von Wärme und Kälte auf die Kammer, um ein periodisches Durchlaufen (Cycling) zwischen 95°C und ungefähr 60°C für 25 bis 35 Durchläufe (Zyklen) zu liefern.12. Thermocycling is carried out by alternating application of heat and cold on the chamber to periodically cycling between 95 ° C and about 60 ° C for 25 to 35 passes To deliver (cycles).
- 13. Die Reaktionsmischung wird aus der Thermocycling-Kammer durch Zentrifugalkraft ausgeworfen und durch eine Gelfiltrationskammer passiert. Die Gelfiltrationskammer besteht aus monodispersen (gesiebten) Sephadex-G-50-Beads (Perlen, DNA-Grad), welche an der Grenzfläche zwischen tiefen und flachen Abschnitten in der Mikrostruktur eingefangen sind. Nichteingebaute Terminatoren und ebenso Salz werden zurückgehalten. Die übrigbleibende Sequenzierleiter verläuft weiter in ein End-"Aufnahme"-Well (final "pickup" well), wobei, wenn nötig, weiteres Wasser hinzugegeben wird, um das Handhaben der Flüssigkeit zu unterstützen und die Verdampfung zu vermindern.13. The reaction mixture is removed from the thermocycling chamber ejected by centrifugal force and by a gel filtration chamber happens. The gel filtration chamber consists of monodisperse (sieved) Sephadex G-50 beads (beads, DNA grade), which at the interface trapped between deep and shallow sections in the microstructure are. Non-installed terminators and also salt are retained. The remaining one Sequencing ladder runs Continue into an end "intake" well (final "pickup" well), taking, if necessary, additional water is added to handle the liquid support and to reduce the evaporation.
- 14. Die aufgereinigte Reaktion wird von dem Aufnahme-Well mit einem Pipetierroboter entfernt und in eine Mikrotiterplatte platziert und zu 5 bis 10 μL für die weitere Verarbeitung durch MegaBACETM verdünnt.14. The purified reaction is removed from the receiving well with a pipetting robot and placed in a microtiter plate and 5 to Dilute 10 μL for further processing by MegaBACE ™ .
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