CN112218708B

CN112218708B - 微阵列变换器

Info

Publication number: CN112218708B
Application number: CN201980033002.1A
Authority: CN
Inventors: 金特·罗特; 斯特凡·丹尼尔·克拉默; 约翰内斯·沃尔勒
Original assignee: Bio Replication Ltd
Current assignee: Bio Replication Ltd
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2023-06-16
Anticipated expiration: 2039-05-15
Also published as: US20210213414A1; CN112218708A; KR20210006976A; EP3793720A1; WO2019219757A1

Abstract

本发明涉及一种用于微阵列变换的方法，其中，通过使用具有变换矩阵的腔芯片能够将原始阵列拷贝到平面载体上，并且信息或空间排列改变，从而产生变换的第二阵列。本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置。

Description

微阵列变换器

技术领域

本发明涉及一种用于微阵列变换的方法，其中，通过使用具有变换矩阵的腔芯片，能够将原始阵列拷贝到平面载体上，并且信息或空间排列改变，从而产生变换的第二阵列。本发明还涉及一种用于执行这种方法的装置。

背景技术

DNA微阵列被理解为表示在固体基质上具有DNA的多个不同点样的集合。在DNA微阵列的生产中，原则上在三种不同的生产类型之间有所区分：

1.点样的DNA微阵列

a.微阵列点样仪[8]

2.原位合成的DNA微阵列

a.点样合成：喷墨印刷[2]、[3]

b.通过光掩模进行的光刻[10]

c.通过微镜进行的光刻[9]

3.通过DNA聚合酶进行的合成

一种用于生产DNA微阵列的相对较新的方法在于使用DNA模板通过聚合酶在表面上合成DNA(WO2009034181A2，WO2010100265A1)。在此，在固体表面上设置有所谓的引物(DNA聚合酶的合成起始点)。随后，将由各个合成组分、DNA聚合酶和模板所组成的混合物涂覆到相同表面上。此处的合成在多达数千个点样上高度并行。为了确保独立的合成反应，这些点样中每一个的反应空间已经在物理上彼此分离。这能够表示通过微腔进行空间分离，直到限制扩散为止。

生产类型之间的基本区别在于：DNA分子在(1)中是预先生产的，而在(2和3)中是在DNA微阵列的制备过程中生产的。

在所有上述用于DNA微阵列的生产技术中，在每种情况下都是新制备单个阵列，即，完全从头开始制备。为此，存在一些方法，其目的是复制已经存在的DNA微阵列：

通过杂交来复制DNA微阵列：

在此，来自DNA库的互补DNA链被杂交到现有的DNA微阵列上。互补DNA分子在每种情况下均具有反应性基团，借助于反应性基团能够将其连接至第二基质，使两者相互接触。然后，该基质含有原始DNA微阵列的互补DNA分子，并且具有相同的空间分辨率。以这种方式产生的拷贝与模拟照片的底片([4]、[5]、[6]、[11]、[12]，US20060141245A1，WO2006112815A2)相当。

通过杂交进行的DNA微阵列的复制和通过DNA聚合酶进行的延伸：

该方法与上述方法非常相似。然而，杂交的DNA分子比待复制的DNA微阵列的DNA分子短得多。在这种情况下，杂交的DNA分子被用作通过DNA聚合酶进行的DNA延伸反应的引物。聚合酶是能够使用模板来延伸DNA链的酶。通过这种方法，原则上能够复制具有长DNA分子的DNA微阵列。以这种方式产生的拷贝与模拟照片的底片([6]，US20100256017A1，WO2008022332A2)相当。

通过主腔芯片和随后的PCR进行的复制：

主腔芯片在其表面上具有DNA引物，其与已经存在的DNA微阵列的DNA互补。用PCR混合物填充该芯片，并将其放置到待复制的DNA微阵列上。通过PCR，DNA微阵列的DNA的信息被转移到主腔芯片中并进行存储。在第二步骤中，再次用PCR混合物填充腔芯片，并且将空的微阵列板放置到芯片上方以将其封闭。随后，再次进行PCR，以将DNA分子从主腔芯片转移到新表面。因此，这代表原始DNA微阵列(WO2010100265A1)的精确拷贝。

在现有技术中，不存在能够根据需要来复制和修饰(变换)现有DNA微阵列的方法。

现有技术的各种方法具有不同的缺点：

常规生产类型(阵列生产)：

在此，无法复制DNA微阵列。制备生成的微阵列不再可用这些方法进行修饰/变换。它们必须从头开始而新生成。因此，随后的变换是不可能的。点样(spot)尺寸和形状由各自的生产类型决定，而无法根据需要进行选择。另外，点样的布置受到生产类型所限制。不可能用任何上述方法进行DNA微阵列的变换。

复制已经存在的DNA微阵列的现有方法：

点样尺寸或其特定位置的更改是不可能的(无空间变换)。同样，由于起始阵列始终指定并预定点样的形状，因此无法进行形状变换。另外，序列变换仅可能以现有DNA的延伸或缩短的形式进行。尚未描述其他变换。现有方法无法进行合并或组合形式的序列变换。

在现有技术中，阵列基本上是在拷贝过程中通过打印机进行打印的。对于每个不同的DNA点样，必须使用单独的DNA样品，这需要漫长的准备工作。因此，该过程变得耗时且成本密集。另外，为了防止并减少点样之间的污染，在打印过程之间必须进行长时间的洗涤。此外，点样的间隔必须选择为足够大，以防止跑在一起和相互污染。

现有技术的方法的另一缺点是点样的形状非常有限，并且只有近似圆形的点样是可能的。

液体点样的干燥会影响点样的均匀性，从而导致点样边缘区域与中间区域之间结果的差异。

光合成

阵列是通过光刻法产生的。这导致以下问题。

每个合成步骤都需要一个单独的掩膜，并且将DNA链仅延伸一个碱基。对于每个步骤，都有一定百分比的错误。结果，DNA链的长度对结果的质量有影响。在每个合成步骤之后，必须执行清洗步骤并且必须更换掩模，结果该方法变得耗时且成本密集。阵列的设计只能在高成本和高时间花费的情况下进行更改。

实际上，如在投影仪/射束器中那样，利用微镜进行的无掩模光刻技术已经淘汰了不同掩模的使用，但是结果点样的形状仅限于矩形或正方形。

固相PCR

DNA进行数字分配并在玻璃腔芯片中随机分配，并通过PCR进行复制。玻璃腔芯片的生产非常精细；另外，图案和点样形状受生产而限制为圆形和六边形排列。而且，不可能在一个阵列上具有多个不同的腔形状。使用此方法无法进行放大和缩小等操作。也无法移位或合并点样。因此，排除了阵列的变换。

迄今为止，在现有技术中，尚未已知或尚未描述可用于变换DNA微阵列的方法。仅描述了复制类型。然而，微阵列的变换打开了无法想象和无法预料的可能性，例如，生产全新的DNA阵列。

此处的挑战或目标是存储和修改原始微阵列的信息。虽然通常可以令人满意地实现存储，但是伴随的变换是重大挑战。

现有技术的微阵列在其生产后，除了可能的延伸或缩短之外，不再能够被改变。然而，由于一级DNA的质量差，这通常也只能在有限的程度上实现。此外，微阵列的现有格式不能完全从物理上“重新格式化”，即，实验和装置必须始终适应于现有的微阵列，或者如果不存在匹配的微阵列，则必须放弃实验。另外，两个微阵列不能在其生产后“组装”成一个微阵列。

发明内容

该目的通过独立权利要求来实现。有利的实施方式由从属权利要求得出。

在第一优选的实施方式中，本发明涉及一种微阵列变换的方法，包括以下步骤：

a)提供模板阵列，其中，所述模板阵列包括具有模板分子的多个点样，并且其中，所述模板分子优选为寡核苷酸，

b)提供包括转移矩阵的腔芯片，

c)在所述腔芯片中提供反应混合物，

d)将所述模板阵列放置在所述腔芯片上，

e)拷贝过程，其中，将所述模板阵列的点样的寡核苷酸拷贝到所述腔芯片上，

f)提供阵列表面，

g)在所述腔芯片中提供反应混合物，

h)将所述阵列表面放置在所述腔芯片上，

i)拷贝过程，其中，所述腔芯片的点样的寡核苷酸以DNA、RNA或蛋白质的形式拷贝到所述阵列表面上，并且其中，新形成的额外阵列在点样形状、点样尺寸、点样位置的方面和/或在所含信息的方面与所述模板阵列不同。

通过本发明，因此产生了与起始阵列相比变换的微阵列。

转移矩阵被理解为腔的布置，和它们的设计以及它们的特性。

可以优选将反应混合物和/或其他反应组分预先存储在腔芯片中。

为了变换DNA微阵列，因此开发了一种特殊的方法，其中可以以一个或多个步骤进行复制和变换。可以产生具有任何所需形状的特殊腔芯片。它们包括具有特定形状的小腔，其中原始微阵列的模板分子可被存储在该小腔中。

从这个意义上说，“存储”是指模板分子的信息已经以持久的方式转移了。这能够以1：1模板分子的拷贝形式出现。然而，也能够进行变换，例如，从RNA到cDNA，其中保留了序列信息。原始模板分子或其中的一些也可被转移到腔芯片上。

优选将具有几何形状1的原始寡核苷酸微阵列(特别优选DNA微阵列)转移至具有几何形状2的腔芯片中。转移可以优选通过PCR进行。然而，通过使用其他方法，例如，等温DNA扩增、HDA、RPA或LAMP，也可以在此扩增生物分子，如DNA。在该转移反应期间对引物的选择在本发明的意义上也称为拷贝过程，并且另外确定了转移原始阵列的哪些点样。因此，腔芯片的几何形状2可被转移到平面载体也被称为阵列表面，由此形成二阶微阵列。然后，可以在具有几何形状3的腔芯片中执行额外变换步骤，从而形成三阶阵列。原则上，因此能够以任何期望的顺序逐步重新使用原始微阵列。

在本发明的意义上，“拷贝”是指1:1拷贝(即，例如，DNA到DNA)以及其他拷贝信息但产物与起始分子不同的方法，也就是说，例如，DNA到蛋白质，RNA到cDNA，RNA到蛋白质或DNA到RNA。与起始分子不同的产物分子也称为衍生物。起始分子的任何衍生物都是可能的，并且本领域技术人员知道如何产生相应的产物分子。

所述拷贝步骤优选用现有技术中已知的方法进行；然而，它们也可以被产生相同或相似生化反应或扩增的替代方法替代。优选使用RNA聚合酶将DNA变换为RNA。优选使用逆转录酶将RNA变换为cDNA。为了将DNA和/或RNA变换为蛋白质，优选使用无细胞的体外转录和/或翻译混合物。如果要将DNA拷贝为DNA，则可以使用聚合酶、RPA(复制蛋白A)或用于解旋酶依赖性扩增(HDA)的体系。

典型的变换过程优选如下进行：

1.用反应混合物(例如，PCR混合物或无细胞表达体系)填充腔芯片；

2.将原始阵列放置在腔芯片上；

3.进行拷贝反应，例如，PCR；

4.洗涤并且封闭；

5.可选地：修饰腔中的模板分子；

6.可选地：使用相同的腔芯片但使用另一原始微阵列来重复步骤1-4；

7.用反应混合物填充腔芯片，并用用空的阵列表面将其封闭；

8.进行拷贝反应，例如，PCR；

9.洗涤并且封闭新生产的阵列和腔芯片。

特别地，可选步骤能够以任何期望的方式彼此合并。在此，通过腔芯片的腔的形状给出所得变换点样的产生的形状。特别地，上述过程也能够在已经变换的阵列上重复使用。

优选通过拷贝到腔芯片中的第一步骤来限定空间布置，也就是说，例如所得的图案。然而，即使在此之后，分子的修饰也可能发生，使得信息的变换可以多次发生。

还优选的方法是其中，所述分子的修饰、延伸、缩短、衍生和/或倒位(inversion)发生在所述腔芯片的腔中和/或在所述拷贝过程中。衍生化应理解为是指起始分子的变换，其中，维持信息，例如序列信息。在本发明的意义上，这还包括将DNA或RNA翻译成肽序列。

特别优选的是，步骤a)至步骤e)至少重复一次，其中，使用相同的腔芯片但使用不同的模板阵列，或者以不同或相同的取向使用相同的模板阵列。

当相同的模板阵列被多次拷贝到相同的腔芯片中时，特别有利的是，在重复期间，模板阵列和腔芯片相对于彼此以改变的取向进行布置。这能够例如通过腔芯片的旋转来发生。取向也可以保持相同，例如，以获得协同效果。

特别优选的是，拷贝步骤包括扩增步骤。

扩增可以是PCR、等温扩增或RT-PCT。然而，扩增步骤也能够描述转录或蛋白质表达。

反应混合物优选为PCR混合物、等温扩增混合物、逆转录混合物、转录混合物或无细胞表达混合物。

另外，优选的是，发生蛋白质合成，从而例如在反应混合物中获得酶，其将DNA转录成RNA或将RNA翻译成蛋白质。

在此，优选的是，仅在从腔芯片拷贝到空阵列表面的步骤中才发生可能的蛋白质合成。

也可以使用其他合适的混合物，其中，本领域技术人员能够在该过程中无需付出创造性情况下进行选择。

特别优选地，模板分子是寡核苷酸，优选为DNA分子或RNA分子。

另外，优选的是，将模板阵列的几个点样合并在腔芯片和/或额外阵列中，以便以这种方式产生模板分子或由其衍生的分子的混合物，和/或产生DNA或RNA，其包含来自各自点样的模板分子的多个序列或所述部分序列的衍生物。

此外，优选的是，在额外阵列中合并至少两个模板阵列的点样，以便以这种方式产生拷贝的混合物和/或产生拷贝，其包含来自各个点样的模板分子的多个部分序列或所述部分序列的衍生物。

在另外的优选实施方式中，本发明涉及一种方法，其中，模板阵列的点样在额外阵列中被细分成多个点样。

还优选的是，在溶液中添加额外DNA分子，以使分子(模板分子或产物分子或中间产物)通过该DNA序列而被延伸或修饰。

模板分子特别优选为DNA分子，其全部或部分具有短的相同的优选为10～30个碱基对的DNA序列。

根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述腔芯片的腔涂覆有引物。

优选地，在引物的3'末端或5'末端上携带额外的DNA序列。

优选的是这样的方法，其中，所述额外序列能被用作位置信息的条形码，和/或所述引物能含有用于转录和/或无细胞合成的序列。

优选地，变换在空间和/或时间上受到限制。空间限制优选地由腔的边缘给定。时间限制可以由不同的因素引起。暂时受限的反应条件可以是，例如，不得超过或低于的温度、随时间变化的pH值、光或电场的照射。

本发明使得能够改变现有的微阵列的空间结构，特别是关于点样形状、点样尺寸和点样位置。可以根据需要来更改点样的形状，也可以更改其位置(直至移除点样)。根据几何形状，它可以具有不同的应用：

a)在不进行相关尺寸更改的变换的情况下，将点样变换为具有大致相同尺寸的点样，或者可以根据需要在过程中更改点样的形状。由于变换过程，形成了非常尖锐的边缘，并且以这种方式可以产生迄今不可能的几何形状的点样。

b)在变换为较小尺寸的情况下，能够将一个点样“划分”为多个小点样，这些小点样又可以具有任何所需的形状。

c)在变换为较大尺寸的情况下，能够融合两个或更多个点样或其DNA。在此，根据工艺选择和引物序列，可以在目标点样上并行或顺序拷贝DNA。也就是说，最后，DNA能够是表面上的混合物(在表面上并列的多个序列)，也能够是组合构建体，其中一个序列与另一个序列相连，从而也能够生成完全不同的基因产物。

通过进行多次变换，能够根据需要在理论上对微阵列进行重新格式化，能够从其他阵列中除去或添加点样，能够缩短或延伸DNA或其他生物分子。本发明的一个优点是由此可以组合地构建或重新格式化基因构建体或基因文库。

完全令人惊讶的是，作为本发明的结果，已知的原始微阵列的静态形状可以通过经由腔转移和重新格式化的变换来进行改变和重新格式化。借助于本发明，类似于傅立叶变换，原则上可以产生任何期望的几何形状。然后可以将数学上的仿射或部分仿射映射应用于阵列及其生物分子的几何形状。同样，DNA或其他生物分子能被添加(例如，通过连接或延伸扩增)，也能被消减(例如，通过使用产生缩短的DNA产物的引物的PCR，或通过按特定顺序切割DNA的反应酶)。因此，基于物理DNA或RNA的微阵列现在也可以进行数学的抽象和理论变换。

一阶变换(执行第一变换)的优点是多方面的。因此，例如，可以以期望的点样形状来复制微阵列。迄今为止，作为生产的结果，阵列已成为“圆形”。通过本发明，任何期望的结构都是可能的。因此，例如，可能产生六边形的一阶变换阵列(也比较图1)，然后在连续变换中再次将该阵列转化成圆形。反之亦然。此外，由于生产过程，常规生产的微阵列在各个点样内总是不均匀的。另一方面，本发明的变换过程在整个表面上是均匀的，从而形成具有非常精确的几乎任何几何形状的非常均匀的点样。因此，一种应用在于提高阵列的质量。因此，微阵列生产商可以生产主阵列(master array)，然后使用该变换来生成几何上高质量的均匀一阶阵列。在此，主阵列的几何质量低，仅DNA质量高，这导致高质量和几何形状或结构的一阶阵列。

额外优点是可以合并多个点样，从而在该点样上生成生物分子如DNA的混合物(每个点样2个或更多个物种)或构建体(例如，融合DNA)。相应的表示如图2所示。

另一优点在于，可以将一个点样切成多个小点样。这样可以实现更精确的测量、更大的同质性、更好的结合动力学(根据Ekins的环境分析理论)，从而可以实现更高的信号产量。

除了起始阵列之外，变换过程仅需一个腔芯片、少量的反应混合物，例如PCR混合物(通常为5～10μL)和其上应用一阶阵列的拷贝表面。由此，可以生产独特的几何形状(迄今为止在技术上不可行)。另外，过去在技术上在一定限度上被认为是可行的几何形状现在已大大降低了成本。现在也可以没有任何问题地产生多个复制品。通过对应于数学中的仿射映射的几何变换(剪切、拉伸、旋转、剪切拉伸)或通过将这些操作仅应用于部分区域或单个点样，可以重新格式化迄今为止在技术上尚不可行的任何所期望的几何形状，这构成本发明的额外优点，其允许多种可能的用途。

还可能优选的是，该装置包括一组腔芯片形式的变换矩阵，其根据其使用顺序产生了阵列的仿射映射。例如，这意味着该装置能够具有各种单独的矩阵(在相应的腔芯片上)，其中，一个矩阵移位，另一个矩阵增大，而再一个矩阵减小。例如，也有可能总是将所有内容放大/缩小到相同的尺寸，然后移位，然后再将所有内容恢复到以前的尺寸。然后，这组变换矩阵是能够相互替换的一组单独运算。就像在数学仿射映射中一样，换句话说，可以执行点反射作为反射，然后旋转180°。

另外，优选使用变换方法来生产DNA、RNA或蛋白质1。优选地，有可能产生新的DNA组合。

在另一种优选的实施方式中，本发明涉及一种用于进行根据本发明的变换的装置，其包括：

·腔芯片，其包括转移矩阵，

·至少一个模板阵列，以及

·至少一个阵列表面。

在此，优选的是，转移矩阵在空间上限制该反应。这特别是由腔及其边缘引起的。

在特别优选的实施方式中，本发明涉及一种用于实施本发明的变换方法的腔芯片。

以下规格特别适用于腔芯片。这些规格既可以应用于所要求保护的方法，也可以应用于所要求保护的装置。

特别优选的是，腔芯片的腔的体积为小于100nL。小于50nL的体积是特别优选的，并且小于20nL的体积是最特别优选的。令人惊讶的是，在皮升(picoliter)范围内的体积也可以获得特别好的结果。

然而，本领域技术人员知道：对于某些用途，例如，如果将细胞或组织用作起始材料，则较大的腔可能是有利的。

腔的形状可以根据需要进行选择。圆形、六边形或三角形是可能的。然而，原则上可以使用任何期望的形状。

以下规格在测试中取得了特别好的结果：

4000孔
		维度(长/宽/高)	骨架上为75mm/25mm/2mm
腔	4104
		直径	150微米
间距	50微米
		腔体积	530皮升
腔深度	30微米

NGS
		维度(长/宽/高)	骨架上为75mm/25mm/2mm
腔	31672
		直径	50微米
间距
		腔体积	58.9皮升
腔深度	30微米

1188孔
		维度(长/宽/高)	骨架上为75mm/25mm/2mm
腔	1188
		直径	300微米
间距	50微米
		腔体积	2.12纳升
腔深度	30微米

130孔
		维度(长/宽/高)	骨架上为75mm/25mm/2mm
腔	130(蜂窝状)
		直径	500微米
间距	250或134微米
		腔体积	18.5纳升
腔深度	30微米

500孔
		维度(长/宽/高)	骨架上为75mm/25mm/2mm
腔	476
		直径	500微米
间距	50微米
		腔体积	5.89纳升
腔深度	30微米

实施例和附图

下面，本发明通过参考附图和实施例来解释，而不因此限于所述附图和实施例。

实施例1：序列、形状和/或空间变换

a)每个点样的不同信息的SeqT添加

步骤1：

两个一级阵列(primary array)形成起始点。在此，两个阵列能够具有相同或不同的点样尺寸、对称性和间距。DNA分子在表面上的取向和DNA的长度在此不起作用。这两个阵列的唯一共同特征是：所有DNA分子必须具有相同的、约10～30个碱基对的短同源DNA序列，即，所谓的重叠区域。

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在PCR结束后，转移芯片中也存在与起始DNA微阵列中相同的DNA物种。它们的空间布置也得以保持。由此，一级阵列的空间信息以及内容信息因此已经被转移到转移芯片中。

步骤3：

该转移芯片随后被放置在第二个一级阵列上。再次，通过标准PCR混合物进行扫描。由于两个原始DNA微阵列的同源序列，因此可以想到两种情况。如果第二微阵列的DNA点样遇到仍然是空的腔，则与第一扫描一样，DNA分子将被直接转移到该腔中。然而，如果DNA点样遇到已经存在第一起始阵列的DNA的腔，则两条DNA链会在腔表面融合在一起。形成新的DNA分子，其既携带第一DNA微阵列的信息，又携带第二原始DNA微阵列的信息。

步骤4：

可以通过PCR和标准PCR混合物将转移芯片的融合DNA分子或原始DNA分子形式的存储信息拷贝到新的、空的且特殊功能化的表面上。

b)每个点样的相同信息的SeqT添加

通过该步骤，可以在该区域上或在多个点样中添加或可选地去除相同的DNA部分。该区域上的引入可以通过具有比转移矩阵大得多的结构的阵列进行，或者如果要进行延伸的DNA被直接引入溶液中，则可以在整个转移矩阵上进行。

步骤1：

使用含有一定数量的不同DNA分子的一级阵列。点样的尺寸、对称性、间距、数量在这里都不起作用，而且DNA分子在表面上的取向也不起作用。

步骤2：

为了执行后续扫描，可以在两个不同的转移芯片之间进行选择：

i)仅用后续PCR必需的引物涂覆的转移芯片。

ii)转移芯片，其中在引物序列的5'末端上存在任何所需长度的额外DNA序列。

此外，可以引入额外DNA序列，因为所述序列被添加到溶液中，从而整个转移区域被该DNA序列延伸或改变。

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在PCR结束后，转移芯片中也存在与起始DNA微阵列中相同的DNA物质。它们的空间布置也得以保持。由此，一级阵列的空间信息和内容信息都已被转移到转移芯片中。

步骤3：

然后在转移芯片中填充新鲜的DNA混合物和与已经存在的DNA分子具有同源序列的模板。过量添加该模板，使得所述模板不会在随后的融合PCR中耗尽。然后，通过非功能化的表面封闭腔芯片，然后执行标准PCR。

步骤4：

可以通过PCR和标准PCR混合物将转移芯片的DNA分子形式的存储信息拷贝到新的、空的且特殊功能化的表面上。

c)SeqT消减

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。通过选择全长或部分长度中使用的引物，能够通过PCR将一级阵列的DNA转移到转移芯片中。空间信息被完全保持。

步骤3：

d)ST缩放

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在此，选择转移芯片的几何形状和布置，使得所述转移芯片与起始微阵列的那些相同。由此，在每种情况下，起始阵列的一个DNA点样被放置于单独的腔下方。选择腔直径，使得腔大于或小于一级阵列的DNA点样。在PCR完成后，原始DNA点样的空间和内容信息被转移到转移芯片的相应腔中。

步骤3：

e)ST旋转

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在PCR结束后，转移芯片中也存在与起始DNA微阵列中相同的DNA物种。它们的空间布置也得以保持。由此，一级阵列的空间信息和内容信息都已被转移到转移芯片中。

步骤3：

转移芯片以特定角度并围绕特定点旋转。

步骤4：

f)ST移位

步骤1：

步骤2：

步骤3：

转移芯片在x或y方向上移位一定长度。

步骤4：

g)ST合并

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在此，选择转移芯片的结构，使得将任何所需数量的一级阵列的点样转移到转移芯片的相同结构中。结果，生物分子没有融合而是仅以相同结构混合。在PCR完成后，混合物或单个DNA物种存在于转移芯片的结构中。

步骤3：

可以通过PCR和标准PCR混合物将转移芯片的DNA分子形式的存储信息拷贝到新的、空的且特殊功能化的表面上。随后获得的二级阵列(secondary array)由混合点样组成。根据转移芯片结构的选择，仍然可以存在单个单克隆点样。

h)ST分辨率

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在此，选择转移芯片的结构，使得与一级阵列相比存在更多或更少的结构。在PCR完成后，例如，一级阵列的点样已被转移到转移芯片的多个较小结构中(高分辨率)，或者一级阵列的多个点样已被转移到转移芯片的较大结构中(较低的分辨率)。

步骤3：

可以通过PCR和标准PCR混合物将转移芯片的DNA分子形式的存储信息拷贝到新的、空的且特殊功能化的表面上。然后，与一级阵列相比，获得的二级阵列由更多或更少的点样组成。

i)ShaT

步骤1：

步骤2：

首先，借助于转移芯片和常规PCR混合物，通过PCR产生对一级阵列之一的扫描。在此，选择转移芯片的结构，使得其具有与一级阵列的点样不同的形状(例如，星形或延伸的点样)。在PCR结束后，转移芯片中也存在与起始DNA微阵列中相同的DNA物种。它们的空间布置也得以保持。由此，一级阵列的空间信息和内容信息都已被转移到转移芯片中。

步骤3：

可以通过PCR和标准PCR混合物将转移芯片的DNA分子形式的存储信息拷贝到新的、空的且特殊功能化的表面上。现在获得的二级阵列由具有与一级阵列相比，不同形状的点样组成。

图1：回归变换(从大到小)。六边形阵列已变换为较小的圆形。该图示出了2个六边形的截面。

图2：渐进变换(从小到大)。左侧具有明显较大腔的阵列已变换为具有大点样的阵列(右侧)。根据原始点样的精确位置，可以在此处生成不同的产品。在下部方框的实例中，下部红色点样(A)已变换为直径明显更大的红色圆圈(A)。然而，上面的红色点样(A)已与上覆的绿色点样(C)融合在一起，以形成黄色圆圈(B)。在此方框的正上方，定位绿色点样(左小，右大)，然后将其变换为纯格式。在左上方的方框中，将2个绿色点样(C)和2个红色点样(A)(左侧)转化为交通信号灯配置(红色(A)、黄色(B)、绿色(C)(右侧))。

图3：变换的分配。为了更清楚地表示变换，此处叠加了来自图2的数据。现在，可以很好地看出哪些小点样是较大点样的种子。在此实验中，一些小的红色点样没有产生信号。对于绿色点样，要清楚得多：存在分配。

图4至图17是本发明的特别优选的实施方式。

图4：位置优化

问题：打印微阵列，即，将微小的液滴放在表面上，然后使其尺寸不同(A)，位置不精确(B)或形状不均匀或形状不规则(C)等。也就是说，很难自动获取点样。

解决方案：执行含有最佳空间位置的变换。

图5：结构优化

问题：打印微阵列，即，液滴通常具有圆形至椭圆形的形状，然后可以产生任何所期望的结构。

解决方案：进行了变换，使每个点样都有单独的形状，包括迄今为止无法制作的形状。

图6：减少1

问题：阵列的格式是通过打印过程来建立的，即，由于最小的沉积量以及其间距而存在点样尺寸的下限，以防止点样一起移动。

解决方案：那么可以在变换中生成较小的点样。

图7和图8：减少2a和2b

解决方案：进行了两次变换，一次“收缩”所有内容，然后一次制作较小的点样。

图9：放大1

问题：阵列的格式是通过打印过程来建立的，即，由于最大的沉积量和浓度而存在点样尺寸的上限。

解决方案：那么可以在变换中生成更大的点样。

图10、图11和图12：放大2a、2b和2c

解决方案：在第一变换中，首先将点样间隔开，然后将它们缩小(！)以防止污染，然后放大。

图13和图14：位置互换a和b

问题：阵列的格式在打印后建立；位置改变会自动要求重新打印。

解决方案：在第一变换中，位置互换，而在第二变换中，重新建立点样几何形状。

图15：合并

问题：之后不能融合或混合单个点样的DNA，以产生加和效应(例如，当两个DNA最初共同与蛋白质相互作用时)或变构效应(当DNA是必要的以激活蛋白质或被所述蛋白质激活，则与另一个DNA结合，例如起始序列或乳糖启动子或乳糖阻遏物)。

解决方案：可以融合两个或多个点样，并且DNA可以彼此靠近或线性排列。

图16：划分

问题：例如，为了获得更高的信号(在不饱和条件下)或更快速的动力学(环境分析物理论)，以后不能再减少点样。

解决方案：在变换中，将点样划分为较小的点样

图17：组合混合物

问题：然而，带有相同部分序列的多个DNA点样的产生与完全不连贯序列的产生一样复杂。

解决方案：首先，将DNA从模板1中除去，然后将其从模板2中除去，从而产生组合混合物。因此，利用原始阵列上的n和m点样，能够生成总共n*m个组合混合物。

混合物既可以通过并置(多个DNA序列在表面上彼此靠近)来实现，又可以通过邻接(DNA序列一个接一个地线性连接在一起，也就是说，是延伸的)来实现。这能够通过在生化扩增步骤期间选择引物和DNA序列来实现(所有引物相同＝通常彼此靠近，并且匹配的引物＝通常是邻接＝通常是延伸PCR)。

图18至图22示出了本发明的特别优选的装置。

图23示出了典型变换过程的示意图。示出了从小点样到大面积点样的变换以及从大面积点样到3个较小点样的变换。a：用反应混合物(例如，PCR混合物或无细胞表达体系)填充腔芯片，并将原始阵列放置在腔芯片上。b：进行拷贝反应，例如，PCR。c：打开、洗涤和封闭芯片。d：用反应混合物填充腔芯片并通过空的阵列表面将其封闭。e：进行拷贝反应，例如，PCR。f：洗涤并封闭新形成的阵列(变换阵列)和腔芯片。

图24示出了可能的应用的另一实例。

缩写和解释：

转移芯片也被称为腔芯片；能用于固定存储生物分子的装置。

一级阵列也被称为模板阵列；其用作起始点并根据当前技术水平制备的微阵列；优选为DNA或RNA阵列。

二级阵列在进行阵列变换后产生的微阵列。它表示阵列变换的最终结果。

ST 空间变换–位置和/或几何形状信息与一级阵列相比的变化。

ST缩放空间变换缩放–保持位置信息；然而，点样被放大或缩小。

ST旋转空间变换旋转–一级阵列围绕特定点和特定角度的旋转(除了移位之外)。

ST移位空间变换移位–阵列与起始阵列相比的位置变化。

ST伸展形状变换的冗余

ST合并将新信息添加或连接到已有信息。在此过程中，原始信息的构成不会更改。

ST分辨率空间变换分辨率变化；点样数量与起始阵列相比的增加或减少。

ShaT 形状变换–更改一级阵列的阵列点样的原始形状。

SeqT 序列变换–生物分子与一级阵列相比的变化。

(添加)SeqT添加序列变换，其可将新信息添加到已有信息中。

(消减)SeqT消减序列变换，其能够部分或完全去除信息。

根据数学的仿射和部分仿射映射的理论，所有使用的变换可以是双射的、单射的和/或满射的，并且此外可以是增加的、消减的或相同的。以下含义在此适用：

双射式：转移芯片的每个腔都正好遇到一级阵列的一个点样。没有遗漏任何点样。

内射式：在每种情况下转移芯片的腔分别遇到一级阵列的一个点样。点样可能会被遗漏。

满射式：转移芯片的每个腔都遇到一级阵列的一个或多个点样。没有遗漏任何点样。

参考文献

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Claims

1.一种用于微阵列变换的方法，包括以下步骤：

a)提供模板阵列，其中，所述模板阵列包括具有模板分子的多个点样，并且其中，所述模板分子为寡核苷酸，

b)提供包括转移矩阵的腔芯片，

c)在所述腔芯片中提供反应混合物，

d)将所述模板阵列放置在所述腔芯片上，

f)提供阵列表面，

g)在所述腔芯片中提供反应混合物，

h)将所述阵列表面放置在所述腔芯片上，

i)拷贝过程，其中，所述腔芯片的点样的寡核苷酸以DNA、RNA或蛋白质的形式拷贝到所述阵列表面上，并且其中，新形成的额外阵列在点样形状、点样尺寸、和/或点样位置方面与所述模板阵列不同，

其中，通过腔芯片的腔的形状给出所得变换点样的产生的形状，

并且其中，当新形成的额外阵列在点样位置方面不同，并且当相同的模板阵列被多次拷贝到相同的腔芯片中时，特别有利的是，在重复期间，模板阵列和腔芯片相对于彼此以改变的取向进行布置，

并且其中，当新形成的额外阵列在点样尺寸方面不同时，所述模板阵列的多个点样在所述腔芯片和/或额外阵列中合并，从而产生模板分子或由其衍生的分子的混合物，和/或产生DNA或RNA，所述DNA或RNA包含来自各自点样的模板分子的多个部分序列或这些部分序列的衍生物，并且在变换为较小尺寸的情况下，所述模板阵列的至少一个点样在所述额外阵列中被细分为多个点样。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，新形成的额外阵列进一步在点样信息方面与所述模板阵列不同，并且其中所述分子的修饰、延伸、缩短、衍生和/或倒位发生在所述腔芯片的腔中和/或在所述拷贝过程中。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤a)至步骤e)至少重复一次，其中，使用相同的腔芯片但使用不同的模板阵列，或者以不同或相同的取向使用相同的模板阵列。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述拷贝步骤包括扩增步骤。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述反应混合物是PCR混合物、等温扩增混合物、逆转录混合物、转录混合物或无细胞表达混合物。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模板分子为DNA分子或RNA分子。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述腔芯片的腔涂覆有引物。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在引物的3'末端或5'末端上携带额外DNA序列。

9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，至少两个模板阵列的点样合并到所述额外阵列中，从而产生拷贝的混合物，和/或产生拷贝，其包含来自各自点样的模板分子的多个部分序列或这些部分序列的衍生物。

10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在溶液中添加额外DNA分子，使得该分子通过这种DNA序列而被延伸或改变。

11.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述模板分子为DNA分子，其全部或部分具有为10～30个碱基对的短的相同DNA序列。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述额外DNA序列能被用作位置信息的条形码，和/或所述引物能含有用于转录和/或无细胞合成的序列。

13.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述变换在空间和/或时间上受到限制。