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ES2254728T3 - Procedimiento de funcionalizacion de soportes solidos. - Google Patents

Procedimiento de funcionalizacion de soportes solidos.

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ES2254728T3
ES2254728T3 ES02764946T ES02764946T ES2254728T3 ES 2254728 T3 ES2254728 T3 ES 2254728T3 ES 02764946 T ES02764946 T ES 02764946T ES 02764946 T ES02764946 T ES 02764946T ES 2254728 T3 ES2254728 T3 ES 2254728T3
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ES
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solid support
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ES02764946T
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Vincent Dugas
Yves Chevalier
Eliane Souteyrand
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
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Abstract

Procedimiento de funcionalización de un soporte sólido que comprende en la superficie grupos funcionales hidroxilo o hidruro, que comprende las siguientes etapas: a) el injerto por fijación covalente de al menos una molécula bifuncional que comprende un grupo funcional ácido carboxílico protegido de la siguiente fórmula (I): A-X-COOR (I) en la cual: - A representa un grupo que permite la fijación covalente de la molécula bifuncional de fórmula (I) sobre los grupos funcionales hidroxilo o hidruro del soporte, - R representa un grupo protector del grupo funcional ácido carboxílico, - X representa una cadena hidrocarbonada en C2-C18, lineal o ramificada, saturada o insaturada, eventualmente interrumpida por uno diversos heteroátomos elegidos entre N, O y S; b) la desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico que no han sido desprotegidos durante la etapa a) de injerto; terminales, caracterizado porque la etapa a) se realiza a una temperatura entre 50ºC y 200ºC con un compuesto de fórmula (I) en el cual A es un grupo monofuncional y porque dicho procedimiento comprende, además, una etapa c) de pasivación de los grupos funcionales hidroxilo o hidruro residuales del soporte que no han reaccionado con dicha o dichas moléculas de fórmula (I).

Description

Procedimiento de funcionalización de soportes sólidos.
La presente invención se refiere a un procedimiento de funcionalización de soportes sólidos, a los soportes sólidos funcionalizados obtenidos aplicando tal procedimiento, a sus usos, en particular para la inmovilización de moléculas biológicas, tales como ácidos nucleicos, polipéptidos, lípidos, carbohidratos y hormonas.
Los soportes portadores de moléculas biológicas inmovilizadas se utilizan ventajosamente para la detección el reconocimiento de especies biológicas, pero otras aplicaciones de estos soportes, como la síntesis o modificación química sobre soporte o también la exaltación de reacciones biológicas sobre soporte, son también posibles.
En el marco particular de la detección y del reconocimiento de especies biológicas, es primordial poder disponer de soportes sólidos funcionalizados que presentan un cierto número de cualidades.
Estos soportes deben, en particular, permitir la inmovilización reproducible de las moléculas biológicas de interés, en la medida en que una inmovilización reproducible es condicional de una detección ella misma reproducible.
Estos soportes deben igualmente permitir la inmovilización de las moléculas biológicas de interés de manera sensible. La sensibilidad de un soporte sólido funcionalizado depende de la proporción de inmovilización y del procedimiento de detección de una señal, pero también y sobre todo del nivel del ruido de fondo (señal no específica). Una disminución del ruido de fondo mejora la relación señal/ruido. En efecto, en un dispositivo en el cual se detecta la presencia de especies biológicas en las cercanías de la superficie, el ruido de fondo procede esencialmente de la absorción no específica de moléculas distintas de las moléculas biológicas de interés que se desean inmovilizar y que conviene por lo tanto limitar.
Por otra parte, es importante poder disponer de soportes sólidos funcionalizados reutilizables. En efecto la mayoría de los soportes funcionalizados actualmente disponibles se califican de desechables, lo que puede, evidentemente, ser considerado como una ventaja por el usuario. Sin embargo, estos soportes son desechables ya que no se puede simplemente utilizarlos varias veces, particularmente a causa de la fuerte deriva de la señal medida. El calificativo "desechable" se convierte entonces en sinónimo de "calidad mediocre". La posibilidad de poder disponer de un soporte reutilizable es de gran interés, puesto que autoriza el análisis de diversas muestras biológicas con un único dispositivo, lo que permite efectuar comparaciones cuantitativas. Además, los soportes reutilizables autorizan la realización de diversas mediciones en una misma muestra y permiten de este modo la mejora de los resultados de un punto de vista estadístico, lo cual no se puede considerar con un soporte desechable que deriva demasiado rápidamente debido a la lama inmovilización de las moléculas biológicas sobre el sopor-
te.
Finalmente, sobre un soporte funcionalizado sobre el cual se desearía localizar de manera precisa las especies inmovilizadas sobre terminales, la etapa de inmovilización debe realizarse de manera bien localizada y homogénea en la superficie de los terminales, para evitar todo riesgo de rebabas o de aureolas.
La inmovilización de moléculas biológicas sobre soportes sólidos se efectúa generalmente en dos etapas distintas:
-
una primera etapa de funcionalización de los soportes que consiste en una modificación química de su superficie por injerto de moléculas de síntesis (agentes de acoplamiento) que van a garantizar la fijación de las moléculas biológicas sobre el soporte;
-
una segunda etapa de inmovilización que consiste en establecer un enlace covalente entre las moléculas biológicas y estos soportes funcionalizados.
Con el fin de establecer tales enlaces covalentes, se pueden establecer diferentes tipos de reacciones en función de la naturaleza, por una parte del agente de acoplamiento y de la molécula biológica que hay que inmovilizar por otra parte.
De este modo, en lo que se refiere a la fijación de las proteínas o los oligonucleótidos (portadores de un brazo espaciador amina), la reacción con la superficie hace intervenir grupos funcionales amina. La fijación en superficie de tales grupos funcionales está garantizada principalmente por enlaces de tipo tiourea o amida. La formación de las tioureas se ha descrito en particular en el artículo de Guo Z et al., Nucleic Acid Research, 1994, 22, 5456-5465 y consiste en activar superficies aminadas por moléculas azufradas tales como por ejemplo el fenilenodiisotiocianato, y a continuación en hacer reaccionar las moléculas sobre la superficie así activada. La formación de los enlaces amida se obtiene por reacción de aminas sobre ácidos carboxílicos en general por modificación química de un soporte amina (por ejemplo por anhídrido succínico o una reacción de polimerización) como se ha descrito por ejemplo en las patentes de los Estados Unidos nº 5 919 523, 5 667 976 y 6 043 353.
La funcionalización directa sobre soporte sólido por ácidos carboxílicos se puede realizar por la formación de capas autoensambladas de alcanotioles ácidos sobre depósitos de oro (BONCHEBA M. et al., Langmuir, 1999, 15, 4317-4320; HUANGE E et al, Langmuir, 2000, 16 3272-3280) o bien también por reacciones de hidrosililación sobre soportes de silicio (Strother T. et al., J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 1205-1209); sin embargo, en este último caso, la fijación de las biomoléculas implica reacciones de complejación.
En el caso particular de la inmovilización de proteínas, ya se han propuesto soportes de cuarzo por un silano portador de grupos éster que a continuación están desprotegidos (Brennan J. D. et al., Can. J. Chem., 1994, 72, 721-728).
La modificación química de las moléculas biológicas ha permitido también desarrollar otros procedimientos de inmovilización. De este modo, se ha propuesto un procedimiento de inmovilización electroquímica basada en la polimerización del pirrol (Livache T. et. al., Biosensors & Bioelectronics, 1998, 13 629-634 y Garnier F. et al. Synthetic Metals, 1999, 100, 89-94). Este procedimiento permite la inmovilización de moléculas (oligonucleótidos, péptidos) portadoras de residuos pirrolilo por un enganche localizado, pero impone la utilización de soportes conductores y necesita un procedimiento de direccionamiento multiplexado.
Se ha propuesto también modificar oligonucleótidos por un grupo dialdehído para permitir su fijación en grupos funcionales hidrácida (Proudnikov D. et al., Analytical Biochemistry, 1998, 259, 34-41 y Dubiley S. et al., Nucleic Acid Research, 1997, 25 2259-2265). Los soportes funcionalizados son, en este caso, geles de poliacrilamida o de nitrocelulosa que forman redes espesas y por lo tanto tridimensionales que tienen la ventaja de aumentar, para una misma superficie, la densidad de los cordones inmovilizados. Estos geles presentan, sin embargo, algunos límites relativos a la dimensión de los terminales depositados y la dimensión de los cordones de ADN que se pueden hidridar (Yershov G. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. EE.UU., 1996, 93, 4913-4918).
Finalmente, una vía cada vez más utilizada, implica la reacción de oligonucleótidos portadores de un brazo espaciador terminado por un grupo funcional tiol sobre superficies funcionalizadas por haloacetatos (US 5 412 087 y Tang K et al. Proc. Natl. Acad. Sci. EE.UU, 1999, 96, 10016-10020). El establecimiento de puntes disulfuro o de enlaces tioéter, después de la adición de un grupo piridilsulfuro sobre el oligonucleótido (WO 99/20640) es posible sobre superficie funcionalizadas por tioles. Si los tioles parecen bastante reactivos e insensibles a la humedad, estos grupos funcionales son, sin embargo, delicados de utilizar puesto que tienen tendencia a oxidarse en disulfuro. Una reducción previa del disulfuro in situ es por lo tanto a menudo necesario para esperar la obtención de los resultados reproducibles.
Existe por lo tanto un gran abanico de posibilidades para desembocar en soportes funcionalizados que permiten la inmovilización de moléculas biológicas de interés. Sin embargo, a día de hoy, la obtención de soportes sólidos funcionalizados reutilizables que permiten la inmovilización de moléculas biológicas de interés de manera reproducible y sensible, así como la detección de una señal limitando la relación señal/ruido no se ha podido realizar de manera totalmente satisfactoria.
Por esta razón los inventores se han marcado como objetivo proporcionar tales soportes y han puesto a punto lo que es objeto de la presente invención.
La presente invención tiene como primer objeto un procedimiento de funcionalización de un soporte sólido que comprende en superficie funcionales hidroxilo o hidruro, que comprenden las siguientes etapas:
a) el injerto por fijación covalente (sililación o hidrosililación) de al menos una molécula bifuncional que comprende un grupo funcional ácido carboxílico protegida de la siguiente fórmula (I):
(I)A-X-COOR
en la cual:
-
A representa un grupo que permite la fijación covalente de la molécula bifuncional de fórmula (I) sobre los grupos funcionales hidroxilo o hidruro del soporte,
-
R representa un grupo protector del grupo funcional ácido carboxílico,
-
X representa una cadena hidrocarbonada en C_{2}-C_{18}, lineal o ramificada, saturada o insaturada, eventualmente interrumpida por uno diversos heteroátomos elegidos entre N, O y S;
b) la desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico que no han sido desprotegidas durante la etapa a) de injerto,
caracterizado porque la etapa a) se realiza a una temperatura entre 50ºC y 200ºC con un compuesto de fórmula (I) en el cual A es un grupo monofuncional y porque dicho procedimiento comprende, además, una etapa c) de pasivación de los grupos funcionales hidroxilo o hidruro residuales del soporte que no han reaccionado con dicha o dichas moléculas de fórmula (I). Según la invención, la cadena hidrocarbonada de la molécula bifuncional de fórmula (I) comprende de 2 a 18 átomos de carbono; tal longitud de cadena (inferior a 20 átomos de carbono) no permite lleva a cabo un soporte sólido que comprende una monocapa autoensamblada organizada (SAM). En efecto, según A. ULMAN, Chem. Rev. 1996, 96, 1533-1554, la formación de SAM sobre soportes sólidos con la ayuda de compuestos organosiliciados que comprenden un extremo trifuncional (de tipo alquiltriclorosilano) es posible cuando la cadena hidrocarbonada contiene al menos 20 átomos de carbono.
Por el contrario, según la invención, la utilización de moléculas de fórmula (I), en las cuales el grupo A que permite la fijación de éstas en el soporte es monofuncional, permite obtener capas mono o submonomoleculares densas de manera reproducible. Además, las moléculas de fórmula (I) que están fijadas en superficie del soporte tienen cada una su punto de anclaje directamente en la superficie, contrariamente a las moléculas di- o tri- funcionales que conducen a menudo a capas injertadas, rugosas y mal definidas.
Los soportes sólidos que se pueden funcionalizar según este procedimiento son superficies orgánicas (materiales plásticos) o minerales, preferiblemente porosas o planas, de tipos óxidos metálicos, sílice y sus derivados (vidrio, cuarzo,...), es decir, toda superficie que presenta grupos funcionales hidroxilo en superficie, así como los semiconductores de tipo silicio que presentan hidruros en superficie (Si-H).
El grupo monofuncional A puede particularmente ser elegido entre los grupos dialquil(dialquilamino)silano, dialquilhalogenosilano, difenil(dialquilamino)silano, difenilhalogenosilano, [(monoalquil), (monofenil), (dialquilamino)]-silano, [(monoalquil), monofenil), (halogeno)]-silano, alqueno, alquino y los compuestos organometálicos tales como organomagnesianos o organolíticos.
El grupo protector R de las moléculas de fórmula (I) anterior se puede elegir entre los grupos descritos en Protectives groups in organic synthesis (T. W. GREENE et al., 2ª edición, Wiley Interscience) tales como por ejemplo un radical alquilo en C_{1}-C_{4} o un radical cíclico.
Según una forma ventajosa de este procedimiento, y cuando la superficie del soporte sólido presenta funciones hidroxilo en superficie, las moléculas de fórmula (I) son preferiblemente elegidas entre los compuestos organosiliciados de la siguiente fórmula (Ia).
1
en la cual:
-
A_{1} y A_{2} idénticos o diferentes, representan un radical alquilo en C_{1}-C_{4} o un grupo fenilo,
-
A_{3} representa un radical alcoxi en C_{1-}C_{4}, dialquil(C_{1}-C_{4})amino o un átomo de halógeno tal como el cloro,
-
R representa un grupo protector elegido entre los radicales alquilo en C_{1}-C_{4} y los radicales cíclicos tal como el radical bencilo,
-
n es un número entero comprendido entre 2 y 18.
Entre los radicales alquilo en C_{1}-C_{4} definidos para A_{1} y A_{2}, se pueden particularmente mencionar los radicales metilo, etilo, propilo y butilo, prefiriéndose particularmente el radica metilo.
Entre los radicales dialquil(C_{1}-C_{4})amino definidos para A_{3}, se pueden particularmente mencionar el radical dimetilamino.
Entre los radicales alquilo en C_{1}-C_{4} definidos para el grupo R, se pueden particularmente mencionar los radicales metilo, etilo, isopropilo y t-butilo, prefiriéndose particularmente el radica t-butilo.
Según la invención, los compuestos de fórmula (Ia) se eligen particularmente entre aquellos en los cuales:
-
A_{1} y A_{2}, idénticos, representan un radical metilo,
-
A_{3} representa un radical dimetilamino o un átomo de cloro,
-
n = 10, y
-
R representa un radical t-butilo
En el caso particular en el que A3 representa un radical dimetilamino, la molécula correspondiente (CH_{3})_{2}N-Si(CH_{3})_{2}-(CH2)_{10}-C-(O)-O-t-butilo), que no es comercial, se pueden preparar según procedimientos clásicos de esterificación del ácido undecilénico (Trost B. M. et al. "Comprehensive organic synthesis", 1991, 6, Pergamon Press; Staab H. A. et al., "Azolides in organic synthesis and biochemistry", 1998, Wiley Weinheim) y de hidrosililación (Fleming I:"Comprehensive organic synthesis" volumen III, Capítulo 13).
Según otra forma ventajosa de este procedimiento, y cuando la superficie del soporte sólido presenta grupos funcionales hidruro en superficie, las moléculas de fórmula (I) son preferiblemente elegidas entre los alquenos, los alquinos, los aldehídos, los peróxidos o también los compuestos organometálicos. Entre estos compuestos, se prefieren particularmente los ésteres metílico o t-butílico del ácido undecilénico.
Cuando la etapa a) es una etapa de sililación, se puede realizar tanto en fase orgánica, acuosa, catalizada o no, que en fase vapor.
Cuando se efectúa en fase orgánica, la etapa a) comprende ventajosamente las siguientes etapas:
i)
la eliminación de los contaminantes del soporte sólido y la hidroxilación de su superficie,
ii)
la introducción en un disolvente elegido entre los disolventes hidrocarbonados no polares, los disolventes polares y sus mezclas, bajo atmósfera inerte, de un compuesto organosiliciado de fórmula general (Ia) tal como la definida anteriormente,
iii)
la silanización del soporte obtenido en la etapa i) por inmersión en la solución preparada en la etapa ii) y
iv)
el endurecimiento del soporte silanizado obtenido en la etapa iii), después de la evaporación del disolvente bajo atmósfera inerte y a una temperatura comprendida entre 50 y 200ºC, preferiblemente a 140ºC, durante una duración comprendida entre 2 y 72 horas, y
v)
la limpieza y el secado del soporte modificado obtenido en la etapa iv).
Por "contaminantes" del soporte sólido, se entiende todo compuesto tal como grasa, polvos u otros, presente en la superficie del soporte y que no forma parte de la estructura química del propio soporte.
Según la naturaleza del soporte sólido, la etapa i) se puede efectuar con la ayuda de uno o de diversos disolventes y/o oxidantes y/o hidroxilantes (por ejemplo una mezcla sulfoquímica), de un detergente (por ejemplo Hellmanex®), de un tratamiento fotoquímico con ozono o cualquier otro tratamiento apropiado.
Durante la etapa ii), la concentración del compuesto organosiliciado de fórmula (Ia) en el disolvente está preferiblemente comprendida entre 10^{-5} y 1 mol/litro.
Cuando la etapa a) es una etapa de hidrosililación, y cuando el soporte sólido utilizado es un soporte de vidrio o de sílice, dicha etapa a) comprende preferiblemente las siguientes etapas:
i)
la eliminación de los contaminantes del soporte sólido y la hidratación de su superficie,
ii)
el lavado del soporte en un alcohol anhidro tal como metanol anhidro,
iii)
la puesta en contacto del soporte con un alqueno desoxigenado previamente en argón,
iv)
la hidrosililación del soporte por adición de un catalizador (catalizador de Séller o de Karstedt, etildicloroaluminio) durante 2 a 24 horas a una temperatura comprendida entre 90ºC y 200ºC.
Según la invención, la etapa de injertado a) permite fijar una cantidad de moléculas de fórmula (I) comprendida entre 1 y 8 \mumol/m^{2} de sustrato.
Preferiblemente, la etapa de injertado debe dejar intacta la protección del ácido carboxílico de la molécula bifuncional de fórmula (I) para garantizar un mejor orden de la capa injertada, la densidad de injertado, así como la reproducibilidad de la reacción. Sin embargo, en algunos casos, se produce una desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico durante algunas reacciones de hidrosililación o bien cuando se utiliza un clorosilano como compuesto de fórmula (Ia).
Cuando se termina la etapa de injertado a), es por lo tanto necesario desproteger los grupos funcionales ácido carboxílico que no se hubiesen desprotegido durante la etapa de injertado.
Según una primera variante del procedimiento según la invención, la etapa de desprotección b) se puede realizar en condiciones suaves según un procedimiento que consiste en formar un éster de sililo, fácilmente hidrolizable en agua, preferiblemente haciendo reaccionar el soporte con un silano de la siguiente fórmula (II):
(II)(alquil \ C_{1}-C_{4})_{3}-Si-Y
en la cual Y representa un átomo de halógeno tal como yodo, bromo o cloro.
La utilización de una pequeña molécula de silano de fórmula (II) presenta la ventaja de completar la cobertura del soporte (pasivación) puesto que esta pequeña molécula de silano reacciona igualmente con los grupos funcionales hidroxilo residuales del soporte que no han reaccionado con las moléculas bifuncionales de fórmula (I) a lo largo de la reacción de injertado o que están formados por hidroxilación de los hidruros sobre el silicio durante la etapa de hidrosilación.
La formación de estos ésteres se puede obtener:
-
bien por reacción del soporte y de un yodotrialquilsilano tal como el yodotrimetilsilano en un disolvente orgánico anhidro (tal como el cloroformo o el diclorometano) a temperatura ambiente o calentando hasta una temperatura de aproximadamente 60ºC.
-
Bien por reacción del soporte y del clorotrimetilsilano en presencia de yoduro de odio en el acetonitrilo o acetona anhidra a temperatura ambiente o a aproximadamente 40ºC.
En este caso, la etapa c) de pasivación se encuentra por lo tanto realizada de manera simultánea por la etapa b).
Según una segunda variante del procedimiento según la invención, la etapa b) es una desprotección térmica. Este procedimiento de desprotección se puede aplicar a algunos ésteres de ácido carboxílico tales como los ésteres isopropílico y t-butílico.
Esta desprotección térmica se puede realizar por tratamiento del soporte funcionalizado a una temperatura comprendida entre 250 y 280ºC durante 30 a 60 minutos, en atmósfera inerte (argón o nitrógeno por ejemplo).
Esta etapa de desprotección térmica, realizada después de la etapa de sililación o de hidrosililación, permite generar in situ, por simple elevación de la temperatura, el grupo funcional ácido carboxílico en superficie.
Ventajosamente, esta etapa de desprotección térmica se puede realizar por lo tanto de manera simultánea a la etapa a) por simple elevación de la temperatura al final de la etapa a).
Igualmente de manera ventajosa, la desprotección térmica se puede realizar de manera localizada, elevando localmente la temperatura, por ejemplo con la ayuda de un haz láser o de cualquier medio apropiado, de manera a definir zonas activables rodeadas de zonas en las cuales los grupos funcionales ácido carboxílico permanecen protegidas.
Según la invención, la desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico se realiza preferiblemente por formación de un éster de sililo, puesto que este procedimiento permite a la vez generar grupos funcionales ácido carboxílico en condiciones suaves y bloquear los grupos funcionales hidroxilo residuales del soporte (etapa de pasivación del soporte), lo que permite a continuación limitar la adsorción no específica de las moléculas sobre el soporte. Es en efecto,
la adsorción no específica delas moléculas biológicas la que es responsable del ruido de fondo durante la detección.
Por consiguiente, cuando la desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico se realiza de manera térmica, se efectúa a continuación la etapa de pasivación de los grupos funcionales hidroxilo o hidruro del soporte haciendo por ejemplo reaccionar éste con un silano de fórmula (II) tal como se describe anteriormente o por cualquier otro procedimiento clásicamente conocido por el experto en la técnica tal como por ejemplo por reacción del soporte con el hexametildisilano o bien también según un procedimiento de adsorción fuerte de pequeñas moléculas tales como el metanol.
Cuando las etapas de desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico y de pasivación del soporte se terminan, los soportes funcionalizados se lavan con agua y se secan por ejemplo mediante un chorro de aire comprimido.
La invención tiene también por objeto el soporte sólido funcionalizado obtenido aplicando el procedimiento de funcionalización conforme a la invención y tal como se ha descrito anteriormente.
Estos soportes funcionalizados permiten la inmovilización reproducible de moléculas biológicas de interés a la vez que limitan la adsorción no específica de moléculas y por lo tanto aumentando la relación señal/ruido durante la detección. Permiten igualmente la limitación de las rebabas y de las aureolas de los depósitos localizados por el control de la extensión de las gotas de reactivos.
Estos soportes funcionalizados pueden particularmente utilizarse para la inmovilización, por fijación covalente de moléculas biológicas de interés portadoras de grupos funcionales amina o hidroxilo, tales como ácidos nucleicos, polipéptidos (proteínas, enzimas), lípidos, carbohidratos u hormonas.
En el sentido de la presente invención y en lo que sigue, se entiende por "ácidos nucleicos" tanto oligonucleótidos como ADN o ARN, o también ácidos nucleicos con esqueleto o con bases modificados, tales como los ácidos nucleicos peptídicos (PNA): Peptide Nucleic Acids) que hacen intervenir enlaces peptídicos en lugar de los enlaces fosfodiésteres.
La presente invención tiene por lo tanto por objeto, un procedimiento de inmovilización de moléculas biológicas sobre soporte sólido funcionalizado, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a)
la preparación de un soporte sólido funcionalizado que comprende grupos funcionales ácido carboxílico terminales en forma de éster según el procedimiento tal como se ha definido anteriormente,
b)
la desprotección y la activación de los grupos funcionales ácido carboxílico terminales,
c)
la puesta en contacto del soporte sólido modificado obtenido en la etapa a) o b) con una o diversas soluciones aplicadas localmente, en uno o diversos disolventes, de la(s) molécula(s) biológica(s) que hay que inmovilizar, llevando dichas moléculas biológicas en uno de sus extremos un grupo funcional amina o hidroxilo o un brazo espaciador funcionalizado por un grupo funcional amina primaria,
d)
la evaporación del disolvente para provocar la fijación covalente de la(s) molécula(s) biológica(s) en grupos funcionales ácido carboxílico,
e)
la inactivación de los grupos funcionales ácido carboxílico activadas que no han reaccionado con las moléculas biológicas con la ayuda de una amina en fase gaseosa o en solución, y
f)
el lavado del soporte sólido sobre el cual se inmovilizan dichas moléculas biológicas.
La etapa b) de activación de los grupos funcionales ácido carboxílico se puede por ejemplo efectuar con la ayuda de una solución de N-hidroxisuccinimida, de carbonildiimidazol o de carbodiimida, o también de cualquier otro reactivo de activación apropiado y conocido por el experto en la técnica.
A título de ejemplo, esta etapa de activación se puede realizar en presencia de carbonildiimidazol (O,1 M) en tetrahidrofurano (THF) anhidro, en dos horas aproximadamente a temperatura ambiente. Este tipo de activación permite particularmente obtener superficies activadas muy reactivas respecto de reactivos nucleófilos (aminas, alcoholes, agua). En este caso, se hacen reaccionar las moléculas biológicas en disolventes anhidros en presencia de una amina terciaria como la trietilamina para garantizar la presencia de la forma amino del grupo funcional de las moléculas biológicas.
Durante la etapa c), la concentración de la o las soluciones de moléculas biológicas está preferiblemente comprendida entre 10^{-6} a 10^{-3} mol/l.
Durante la etapa c), se entiende que, para solubilizar las moléculas biológicas, se podría utilizar cualquier disolvente acuoso o anhidro que permita una buena disolución de estas últimas y un control posterior de la evaporación de la solución. La naturaleza del disolvente se deberá elegir, evidentemente, en función de la naturaleza de la molécula biológica que hay que aislar. Se pueden mencionar, a título de ejemplo y de manera no limitativa los tampones fosfato, el dimetilsulfóxido (DMSO), el acetonitrilo anhidro o igualmente una mezcla acetonitrilo/agua.
Cada solución de moléculas biológicas que hay que inmovilizar se puede depositar en un lugar determinado del soporte por un medio adaptado de microdeposición.
De este modo, cuando la reacción de inmovilización se realiza en condiciones anhidras, por ejemplo para inmovilizar oligonucleótidos, es por ejemplo posible utilizar DMSO anhidro. La reacción será conducida, evidentemente, en atmósfera anhidra. En este caso, los oligonucleótidos están preferiblemente presentes en el seno de la solución a una concentración comprendida entre 10^{-5} y 10^{-3} mol/l.
Los cordones de ADN y los oligonucleótidos son solubles en solución acuosa en cualquier proporción. Por consiguiente, cuando se desea inmovilizar este tipo de moléculas biológicas, la etapa de inmovilización se realiza preferiblemente en condición acuosa. La activación de los grupos funcionales ácido carboxílico por N-hidroxisuccinimida permite trabajar en condición acuosa.
Según la invención, la etapa d) de inmovilización de las moléculas biológicas por evaporación del disolvente, es crucial para el buen desarrollo del procedimiento de inmovilización, puesto que permite el injertado covalente de las moléculas biológicas de interés sobre el soporte funcionalizado. En efecto, el procedimiento de inmovilización según la invención aplica preferiblemente soluciones muy diluidas de moléculas biológicas (del orden de 10^{-6} a 10^{-3} mol/l) cuya detección sería a continuación imposible si no se efectuase el injerto por enlace covalente. Preferiblemente, esta etapa de evaporación se realiza lentamente, es decir, durante un tiempo comprendido entre 1y 10 horas aproximadamente.
Cuando la etapa de inmovilización está terminada, se procede a continuación a la inactivación de los grupos funcionales ácido carboxílico activada que han reaccionado con las moléculas biológicas, con la ayuda de una amina gaseosa o en solución (etapa e)).
Esta etapa de inactivación permite evitar los problemas de rebaba de las gotas, de contaminación o de polución durante las siguientes etapas, también se puede denominar "capping".
Según una forma de realización ventajosa del procedimiento de inmovilización conforme a la invención, esta etapa de inactivación se realiza haciendo reaccionar, en fase gaseosa, metilamina o dimetilamina, preferiblemente dimetilamina durante 15 a 45 minutos.
Esta etapa de inactivación puede fácilmente permitir tratar diversos soportes de manera simultánea.
Según otra forma de realización ventajosa de este procedimiento, la etapa de inactivación se realiza únicamente en zonas predefinidas de un mismo soporte, estando las zonas que no deben ser inactivadas, previamente protegidas por ejemplo por gotas de agua, disolventes orgánicos o aceite mineral.
La desactivación de las zonas no protegidas permite entonces crear una red de zonas activadas o reactivables y de zonas químicamente inertes.
Esta forma de realización del procedimiento permite desembocar en soportes espacialmente resueltos que pueden por ejemplo obtenerse por depósitos de gotas de agua sobre una superficie que comprende grupos funcionales ácido carboxílico activadas (por ejemplo con carbonildiimidazol)seguido de la etapa de inactivación de las superficies accesibles por una amina en fase gaseosa, y a continuación de un lavado del soporte. Las zonas inactivadas por las gotas de agua pueden a continuación ser reactivadas antes de la etapa de fijación covalente de las moléculas bioló-
gicas.
La etapa final f) de lavado está destinada a desorber las moléculas que no se hubiesen fijado de manera covalente al soporte funcionalizado conforme a la invención para obtener una densidad reproducible de moléculas biológicas fijadas en superficie.
Esta etapa de lavado se realiza preferiblemente sometiendo dicho soporte a etapas sucesivas de lavados cada vez más rigurosas, que varían por ejemplo de un lavado con agua a una temperatura de aproximadamente 80ºC durante aproximadamente una hora a un lavado en una solución acuosa de dodecil sulfato de sodio (SDS) concentrada, por ejemplo al 10%, a una temperatura de aproximadamente 80ºC durante aproximadamente 1 hora, seguida eventualmente de una sonicación de algunos minutos.
La reutilización de los soportes está condicionada por la obtención de señales reproducibles. Esta etapa de lavado garantiza una función relativa a la reutilización de estos soportes ya que permite garantizar que los soportes no liberarán de nuevo moléculas durante las eventuales siguientes etapas detección.
Aunque esta etapa de lavado tenga como consecuencia la eliminación de un determinado número de moléculas biológicas no fijadas covalentemente, y, por consiguiente, la reducción del nivel de inmovilización, por lo tanto la intensidad de la señal de detección, permite también disminuir el nivel de adsorción y por l tanto el ruido de fondo durante la detección. El balance global de esta etapa de lavado es por lo tanto la mejora de la relación señal/ruido así como de la reproducibilidad de la medición.
La presente invención tiene igualmente por objeto los soportes sólidos obtenidos aplicando el procedimiento de inmovilización según la invención, es decir, los soportes sólidos sobre los cuales están inmovilizadas por fijación covalente las moléculas biológicas de interés.
Estos soportes sólidos pueden también utilizarse como herramientas de análisis (diagnóstico, secuenciación, etc,...) que como herramientas de preparación (aislamiento, separación de moléculas complejas) o de revestimiento de superficies con propiedades específicas (revestimientos por cromatografías, revestimientos "activos" tales como revestimientos antiestáticos, antibacterianos, etc...).
Encuentra por lo tanto aplicaciones en numerosos campos tales como:
-
la síntesis sobre soportes sólidos,
-
la separación y la purificación de moléculas (electroforesis, cromatografía),
-
en biología molecular, en particular cuando las moléculas biológicas inmovilizadas son enzimas,
-
a título de biodetectores ("immunoassays", técnica de análisis de ADN basados en los "microarrays" por ejemplo la secuenciación por hibridación SBH, single nucleotide polymorphism (SNP y el diagnóstico biomédico).
La utilización de soportes sólidos funcionalizados según la presente invención permite inmovilizar diferentes tipos de moléculas biológicas y por lo tanto preparar diferentes tipos de micromatrices como micromatrices de ácidos nucleicos tales como micromatrices ADN, micromatrices de polipéptidos tales como micromatrices de proteínas, etc...
La invención de soportes sólidos modificados según la presente invención es particularmente ventajosa para la preparación de micromatrices, concretamente soportes sobre los cuales se fijan, da manera covalente, un conjunto de ADN, de secuencias conocidas en un orden bien preciso, pudiéndose reutilizar estas micromatrices numerosas veces. Tales micromatrices de ADN permiten, por hibridación de los ADN inmovilizad sobre el soporte con ácidos nucleicos u oligonucleótidos dianas, determinar la secuencia de estas moléculas dianas o seguir la expresión de genes. Las aplicaciones son numerosas: descubrimiento de nuevos genes, nuevos medicamentos, realización de diagnósticos, estudios de toxicidad, etc.
La presente invención tiene por lo tanto por objeto una micromatriz de ácidos nucleicos o de poplipéptidos, caracterizado porque se obtiene por el procedimiento de inmovilización de moléculas biológicas según la presente invención, en el que dichas moléculas biológicas son ácidos nucleicos o polipéptidos.
Las micromatrices de ácidos nucleicos o de polipéptidos según la invención presentan la ventaja de ser estables y por lo tanto de poder reutilizarse numerosas veces, en particular las micromatrices de ADN se pueden reutilizar en numerosos ciclos de hibridación y de desnaturalización.
Además de las disposiciones que preceden, la invención comprende también otras disposiciones que se harán evidentes en la siguiente descripción, que se refiere a un ejemplo de funcionalización de soporte sólido, a un ejemplo de inmovilización de oligonucleótidos así como a un ejemplo que evidencia la reproducibilidad del procedimiento de inmovilización según la invención.
Se ha de entender, sin embargo, que estos ejemplos se dan únicamente a título de ilustración del objeto de la invención, no constituyendo en modo alguno una limitación.
Ejemplo 1
Preparación de un soporte sólido funcionalizado 1) Limpieza e hidroxilación de las muestras
Se sumergen láminas de vidrio (76 x 26 mm) en una solución de ácido sulfúrico y de agua oxigenada (7/3 v/v) a 80ºC durante una hora. Las láminas se enjuagan abundantemente en agua ultrapura y a continuación se secan mediante una pistola de gas. A continuación se colocan en un reactor de vidrio.
2) Silanización
El reactor que contiene láminas de vidrio se calienta a 140ºC durante una hora al vacío y a continuación durante una hora bajo un barrido de gas inerte seco (argón, nitrógeno). El reactor se enfría a continuación en un baño de agua helada y se inyectan 150 ml de pentano de manera cubrir la superficie de las muestras. Se inyecta a continuación 300 \mul de silano.
El pentano se evapora a continuación al vacío, y a continuación el reactor se calienta a 140ºC y se barre mediante una corriente de gas inerte (argón o nitrógeno) durante 12 horas.
3) Enjuagado de las muestras
Al término de la silanización, las láminas de vidrio se lavan en tetrahidrofurano (THF) bajo ultrasonidos, antes de ser almacenadas o experimentar las otras etapas de funcionalización.
Ejemplo 2
Inmovilización de oligonucleótidos sobre un soporte funcionalizado según la invención 1) Desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico
Las láminas de vidrio funcionalizadas obtenidas anteriormente en el ejemplo 1 se secan en atmósfera inerte a 140ºC durante 12 horas. Después del enfriamiento, se sumergen en una solución de diclorometano (DCM) previamente secado sobre alumina, y a continuación se inyecta yodotrimetilsilano en cantidad suficiente para alcanzar una concentración de 0,1 M. La hidrólisis se lleva a cabo durante una noche a temperatura ambiente. Al término de la reacción, las láminas se lavan con agua desionizada y se secan con un chorro de aire comprimido.
2) Activación de las muestras con N-hidroxisuccinimida
Las láminas se secan a 140ºC en argón durante dos horas. Después del enfriamiento, se sumergen en una solución de THF anhidro que contiene N-hidroxisuccinimida (0,1 M) y diisopropilcarbodiimida (0,1 M). La activación se lleva a cabo durante 5 horas a temperatura ambiente. A continuación, las láminas se enjuagan con THF anhidro y luego se almacenan en atmósfera inerte en la oscuridad.
3) Inmovilización de los oligonucleótidos
Los oligonucleótidos (25 madres, portadores de un brazo espaciador funcionalizado por un grupo funcional amina (C_{6}-NH_{2})), se solubilizan en tampón fosfato PBS (Phosphate-Buffered Saline) de pH 8,5. Se recubren unas superficies de 1 cm^{2} con 50 \mul de solución de oligonucleótidos. Después de la evaporación lenta del tampón PBS a una temperatura de 50ºC, las láminas se inactivan por bloqueo (capping) de los grupos funcionales ácido que no hubiesen reaccionado con los grupos funcionales amina de los brazos espaciadores de los oligonucleótidos. Para esto, las láminas se tratan con metilamina en fase gaseosa durante 30 minutos.
4) Lavado de las láminas
Para terminar, las superficies se lavan en baños sucesivos cada vez más rigurosas: agua ultrapura a 100ºC durante 45 minutos, a continuación SDS al 10% a 80ºC durante 45 minutos, y finalmente SDS al 10% baños ultrasonidos durante 5 minutos.
Ejemplo 3
Puesta en evidencia de la reproducibilidad del procedimiento de inmovilización según la invención
Se han utilizado diferentes láminas de vidrio funcionalizadas según el procedimiento descrito anteriormente en el ejemplo 1 y activadas con N-hidroxisuccinimida según el procedimiento descrito anteriormente en el ejemplo 2 para inmovilizar 1 \mul de soluciones de oligonucleótidos a 12 \mumol/l (25 madres, portadores en posición 3' de un brazo espaciador que comprende un grupo funcional amina primaria).
Después del lavado y la hibridación de la secuencia complementaria, los resultados relativos al número de cordones hibridados por cm^{2} sobre tres láminas diferentes, después de un lavado con tampón SSC 1X (Saline Sodium Citrate) que es una dilución al 1/20 de un tampón SSC 20X que contiene una mezcla de NaCl (3 M) y de citrato sódico (3 M), a una temperatura de 47ºC durante 45 minutos, eran las siguientes (datos cuantitativos obtenidos por marcación radiactiva al ^{32}P):
-
lámina nº 1: 2,20.10^{10}
-
lámina nº 2: 2,26.10^{10}
-
lámina nº 3: 2,23.10^{10}
Estos resultados ponen en evidencia la gran reproducibilidad del procedimiento de inmovilización según la invención.
En otra lámina de vidrio, una primera hibridación con un doble cordón PCR de 60 pares de bases ha proporcionado una hibridación del orden de 3,95.10^{8} cordones/cm^{2}. Después de la desnaturalización y la rehibridación en condiciones idénticas a las tres láminas anteriores, se obtuvo una densidad de 2,6 10^{10} cordones de oligonucleótidos/cm^{2}.
El conjunto de estos resultados demuestra, por consiguiente, la gran reproducibilidad de las láminas entre los lotes así como la posibilidad de reutilizar los soportes sin pérdida de señal.

Claims (24)

1. Procedimiento de funcionalización de un soporte sólido que comprende en la superficie grupos funcionales hidroxilo o hidruro, que comprende las siguientes etapas:
a) el injerto por fijación covalente de al menos una molécula bifuncional que comprende un grupo funcional ácido carboxílico protegido de la siguiente fórmula (I):
(I)A-X-COOR
en la cual:
-
A representa un grupo que permite la fijación covalente de la molécula bifuncional de fórmula (I) sobre los grupos funcionales hidroxilo o hidruro del soporte,
-
R representa un grupo protector del grupo funcional ácido carboxílico,
-
X representa una cadena hidrocarbonada en C_{2}-C_{18}, lineal o ramificada, saturada o insaturada, eventualmente interrumpida por uno diversos heteroátomos elegidos entre N, O y S;
b) la desprotección de los grupos funcionales ácido carboxílico que no han sido desprotegidos durante la etapa a) de injerto; terminales,
caracterizado porque la etapa a) se realiza a una temperatura entre 50ºC y 200ºC con un compuesto de fórmula (I) en el cual A es un grupo monofuncional y porque dicho procedimiento comprende, además, una etapa c) de pasivación de los grupos funcionales hidroxilo o hidruro residuales del soporte que no han reaccionado con dicha o dichas moléculas de fórmula (I).
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque los soportes sólidos se eligen entre las materias plásticas, los óxidos metálicos, la sílice y sus derivados y los semiconductores.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el grupo monofuncional A se elige entre los grupos dialquil(dialquilamino)silano, dialquilhalogenosilano, difenil(dialquilamino)silano, difenilhalogenosilano, [(monoalquil), (monofenil), (dialquilamino)]-silano, [(monoalquil), monofenil), (halogeno)]-silano, alqueno, alquino y los compuestos organometálicos.
4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el grupo protector R es un radical alquilo en C_{1}-C_{4} o un radical cíclico.
5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la superficie del soporte sólido presenta grupos funcionales hidroxilo en superficie y porque las moléculas de fórmula (I) son elegidos entre los compuestos organosiliciados de la siguiente fórmula (Ia).
2
en la cual:
-
A_{1} y A_{2} idénticos o diferentes, representan un radical alquilo en C_{1}-C_{4} o fenilo,
-
A_{3} representa un radical alcoxi en C_{1-}C_{4}, dialquil(C_{1}-C_{4})amino o un átomo de halógeno tal como el cloro,
-
R representa un grupo protector elegido entre los radicales alquilo en C_{1}-C_{4} y los radicales cíclicos,
-
n es un número entero comprendido entre 2 y 18.
6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque los compuestos de fórmula (Ia) se eligen particularmente entre aquellos en los cuales:
-
A_{1} y A_{2}, idénticos, representan un radical metilo,
-
A_{3} representa un radical dimetilamino o un átomo de cloro,
-
n = 10, y
-
R representa un radical t-butilo
7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la superficie del soporte sólido presenta grupos funcionales hidruro en superficie y porque las moléculas de fórmula (I) son elegidas entre los alquenos, los alquinos, los aldehídos, los peróxidos o también los compuestos organometálicos.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, caracterizado porque los compuestos de fórmula (I) se eligen entre los ésteres metílico o t-butílico del ácido undecilénico.
9. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la etapa a) es una etapa de sililación en fase orgánica que comprende las siguientes etapas:
i)
la eliminación de los contaminantes del soporte sólido y la hidroxilación de su superficie,
ii)
la introducción en un disolvente elegido entre los disolventes hidrocarbonados no polares, los disolventes polares y sus mezclas, en atmósfera inerte, de un compuesto organosiliciado de fórmula general (Ia) tal como la definida anteriormente,
iii)
la silanización del soporte obtenido en la etapa i) por inmersión en la solución preparada en la etapa ii) y
iv)
el endurecimiento del soporte silanizado obtenido en la etapa iii), después de la evaporación del disolvente en atmósfera inerte y a una temperatura comprendida entre 50 y 200ºC, preferiblemente a 140ºC, durante una duración comprendida entre 2 y 72 horas, y
v)
la limpieza y el secado del soporte modificado obtenido en la etapa iv).
10. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, 7 ó 8, caracterizado porque el soporte sólido es un soporte de vidrio o de sílice y porque la etapa a) es una etapa de hidrosililación, que comprende las siguientes etapas:
i)
la eliminación de los contaminantes del soporte sólido y la hidratación de su superficie,
ii)
el lavado del soporte en un alcohol anhidro tal como metanol anhidro,
iii)
la puesta en contacto del soporte con un alqueno desoxigenado previamente en argón,
iv)
la hidrosililación del soporte por adición de un catalizador durante 2 a 24 horas a una temperatura comprendida entre 90ºC y 200ºC.
11. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa de desprotección b) se realiza por formación de un éster de sililo haciendo reaccionar el soporte con un silano de la siguiente fórmula (II):
(II)(alquil \ C_{1}-C_{4})_{3}-Si-Y
en la cual Y representa un átomo de halógeno tal como yodo, bromo o cloro.
12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque la formación del éster de sililo se obtiene:
-
bien por reacción del soporte y de un yodotrialquilsilano en un disolvente orgánico anhidro a temperatura ambiente o calentando hasta una temperatura de aproximadamente 60ºC,
-
bien por reacción del soporte y del clorotrimetilsilano en presencia de yoduro de sodio en el acetonitrilo o acetona anhidra a temperatura ambiente o a aproximadamente 40ºC.
13. Procedimiento según la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque la etapa c) es realizada de manera simultánea por la etapa b).
14. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado porque la etapa b) es una etapa de desprotección térmica.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la etapa de desprotección térmica se realiza de manera simultánea a la etapa a) por simple elevación de la temperatura al final de la etapa a).
16. Soporte sólido funcionalizado obtenido según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15.
17. Uso de al menos un soporte sólido funcionalizado tal como se define en la reivindicación 16, para la inmovilización por fijación covalente, de moléculas biológicas de interés portadoras de grupos funcionales amina o hidroxilo.
18. Uso según la reivindicación 17, caracterizado porque las moléculas biológicas se eligen entre los ácidos nucleicos, los polipéptidos, los lípidos, los carbohidratos y las hormonas.
19. Procedimiento de inmovilización de moléculas biológicas sobre un soporte sólido funcionalizado, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
a)
la preparación de un soporte sólido funcionalizado que comprende grupos funcionales ácido carboxílico terminales en forma de éster según el procedimiento tal como se ha definido en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15,
b)
la desprotección y la activación de los grupos funcionales ácido carboxílico terminales,
c)
la puesta en contacto del soporte sólido modificado obtenido en la etapa a) o b) con una o diversas soluciones aplicadas localmente, en uno o diversos disolventes, de la(s) molécula(s) biológica(s) que hay que inmovilizar, llevando dichas moléculas biológicas en uno de sus extremos un grupo funcional amina o un grupo funcional hidroxilo o un brazo espaciador funcionalizado por un grupo funcional amina primaria,
d)
la evaporación del disolvente para provocar la fijación covalente de la(s) molécula(s) biológica(s) en grupos funcionales ácido carboxílico,
e)
la inactivación de los grupos funcionales ácido carboxílico activadas que no han reaccionado con las moléculas biológicas con la ayuda de una amina en fase gaseosa o en solución, y
f)
el lavado del soporte sólido sobre el cual se inmovilizan dichas moléculas biológicas.
20. Procedimiento según la reivindicación 10 ó 20, caracterizado porque la etapa e) se elige entre la metilamina y la dimetilamina
21. Procedimiento según la reivindicación 19 ó 20, caracterizado porque la etapa e) está realizada únicamente en zonas predefinidas de un mismo soporte, estando las zonas que no deben ser inactivadas, previamente protegidas.
22. Soporte sólido obtenido según el procedimiento de inmovilización tal como se define en una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21.
23. Soporte sólido según la reivindicación 22, caracterizado porque las moléculas biológicas inmovilizadas son ácidos nucleicos o polipéptidos y porque constituye una micromatriz de ácidos nucleicos o de polipéptidos.
24. Uso de un soporte sólido tal como se ha definido en la reivindicación 22 ó 23, para
-
la síntesis sobre soportes sólidos,
-
la separación y la purificación de moléculas,
-
en biología molecular, en particular cuando las moléculas biológicas inmovilizadas son enzimas, o también
-
a título de biodetectores.
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