DEVICE FOR SIMULTANEOUSLY CARRYING OUT A PLURALITY OF CHEMICAL REACTION STEPS

Abstract: 1. Claims for the Contracting States : BE, GB, NL, AT An apparatus for perfoming chemical reaction sequences, characterized by a first number n of reaction discs (1) which are superposed in the form of a stack and are individually displaceable relative to one another, means for defining the displacement in a second number m of identical steps, m continuous bores (11, 14) disposed in the discs at the step distances from one another, one of the bores being widened out per disc to form a reaction chamber (14), means for retaining a support material in the reaction chamber on the flow of a reagent there-through. 1. Claims for the Contracting States : DE, FR, IT, CH, LI, SE An apparatus for performing chemical reaction sequences having a first number n of reaction discs (1) which are superposed in the form of a stack and are individually displaceable relative to one another, means for defining the displacement in a second number m of identical steps, m continuous bores (11, 14) disposed in the discs at the step distances from one another, one of the bores being widened out per disc to form a reaction chamber (14), means for retaining a support material in the reaction chamber on the flow of a reagent therethrough, characterized in that the undersides of the reaction discs have grooves extending concentrically to the bores and containing O-rings.

Description: Vorrichtung zur parallelen Durchführung einer Vielzahl von chemischen Reaktionssequenzen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung einer Vielzahl von Reaktionssequenzen. Eine derartige Vorrichtung eignet sich speziell zur Synthese von Polymermoleküle wie Nukleotiden, Proteinen etc. an einem Trägermaterial wie z.B. Glas, Kieselgel oder anderem geeigneten Material. In der Regel geschieht der chemische Aufbau solcher Polymermoleküle in Reaktionskammern (z.B. Fritten, Säulen, etc.) in welchen der erste Baustein der zu synthetisierenden Moleküle an das entsprechende Polymermaterial gebunden vorliegt und die Zudosierung der zur Synthese erforderlichen Reagenzien entweder manuell oder automatisch erfolgen kann. Es liegt in der Natur der Reaktionssequenzen, dass zum Aufbau eines längerkettigen Moleküls verhältnismässig viel Zeit benötigt wird. Benötigt man eine Vielzahl verschiedener, aus den gleichen Bausteinen aufgebaute Polymermoleküle, so ist der Zeitaufwand, bis alle gewünschten Syntheseprodukte vorliegen, oft unerträglich lang. Daraus ergibt sich ein Bedürfnis nach einer Möglichkeit, eine Vielzahl von verschiedenen Polymermolekülen aus gleichen Reagenzien simultan aufzubauen. In diesem Sinne liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen mit der eine Vielzahl von Reaktionssequenzen simultan durchgeführt werden kann. Erfindungsgemäss wurde dies durch die in Patentanspruch definierte Vorrichtung erreicht. Die Vorrichtung dient speziell zur simultanen Synthese einer Vielzahl von DNA- und RNA-Segmenten unterschiedlicher Kettenlänge und Sequenz an einem polymeren Trägermaterial. In an sich bekannter Weise werden dabei die DNA-Segmente aus Mononukleotiden aufgebaut, wobei jedes beliebige geeignete Trägermaterial, vorzugsweise Glaspartikel und verschiedene Synthesestrategien, vorzugsweise das Triester- oder das Phosphit-triester-Verfahren, angewandt werden können. Nachfolgend wird anhand der beiliegenden Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen Fig. 1 eine Vorrichtung mit zehn Reaktionsscheiben in perspektivischer Ansicht, teilweise aufgeschnitten, Fig. 2 eine Aufsicht auf eine einzelne Reaktionsscheibe. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Synthese von zehn verschiedenen DNA-Segmenten, wobei als Träger ein Polymergranulat verwendet wird. Der jeweils erste Baustein der zu synthetisierenden Ketten befindet sich vor dem Synthesebeginn bereits auf dem Träger. Die Vorrichtung besteht aus einem Stapel konzentrisch aufeinanderliegender runder Scheiben, in denen mehrere Kanalsysteme ausgebildet sind. Die sog. Reaktionsscheiben 1-10 sind den zehn zu synthetisierenden Oligonukleotiden zugeordnet, d.h. in jeder Reaktionsscheibe wird ein bestimmtes Oligonukleotid aufgebaut. Zu diesem Zweck weist beispielsweise die erste Reaktionsscheibe 1 eine Reaktionskammer 11 auf. Die Reaktionskammer 11 ist eine etwa halbwegs zwischen der Achse und dem Rand der Scheibe angeordnete, sich von der oberen Fläche bis zu etwa dreiviertel der Scheibendicke erstreckende Bohrung. Die Kammer dient zur Aufnahme des Trägergranulats. Am oberen Rand besitzt die Kammer eine umlaufende Verbreiterung zur Aufnahme einer Fritte 12, die die Reaktionskammer 11 nach oben abschliesst. In einer konzentrischen Ausnehmung des Kammerbodens befindet sich eine weitere Fritte 13, die den Abschluss der Kammer 11 nach unten gegenüber einer vom Kammerboden zur Unterfläche der Scheibe führenden, durchgehenden Bohrung mit sehr kleinem Durchmesser, z.B. 1 mm bildet. Die Reaktionsscheibe 1 weist ausser der Reaktionskammer 11 vier durchgehende Bohrungen 14 von gleichem kleinen Durchmesser von z.B. 1 mm auf. Diese Bohrungen sind gegenüber der Reaktionskammer um jeweils 720, 1440, 2160 und 2880 versetzt angeordnet. Die weiteren Reaktionsscheiben sind in der gleichen Weise aufgebaut. Sie sind individuell gegeneinander um ein zentrales Verbindungselement drehbar. Die unmittelbar anschliessende Reaktionsscheibe 2 ist in der Zeichnung um 1440 gedreht gezeigt, so dass ihre Reaktionskammer 15 koaxial zur Bohrung 14 der ersten Scheibe 1 liegt. Die nächste Reaktionsscheibe 3, die in der Zeichnung nicht mehr aufgeschnitten gezeigt ist, befindet sich wieder in der Lage, in der ihre Reaktionskammer -erkennbar an der Fritte 16- mit der Reaktionskammer 11 der Scheibe 1 fluchtet. Bei der Scheibe 3 ist eine um 720 versetzte Bohrung 17 erkennbar. Den Stapel der Reaktionsscheiben 1-10 begrenzen eine obere Anschluss-Scheibe 18 zum Anschluss der Zuführungs- schlauchleitungen für die Reagenzien und eine untere Anschluss-Scheibe 21 für den Anschluss der wegführenden Schlauchleitungen. Die obere Anschluss-Scheibe 18 weist mit den Kanälen bzw. Reaktionskammern in den Reaktionsscheiben fluchtende Bohrungen 19 mit Gewinden zum Einschrauben der Fittings für die Zuführungsschläuche. Die sich etwa bis zu dreiviertel der Scheibendicke erstreckenden Bohrungen 19 setzen sich, ähnlich wie bei den Reaktionskammern, in durchgehenden engen Bohrungen bis zur Plattenunterseite fort. Die untere Anschluss-Scheibe 21 kann der oberen entweder gleichen oder sie besitzt einen einfachen Sammelkanal (nicht gezeigt), falls die verbrauchten Reagenzien nicht mehr getrennt geführt werden müssen. Die Reaktionsscheiben 1-10 und die Anschlussscheibe 18 weisen auf ihren unteren Flächen die engen Bohrungen ringförmig umgehende Nuten auf, die zur Aufnahme von O-Ringen dienen, mit denen die Kanäle an den Uebergängen zwischen den Scheiben abgedichtet werden. Diese Dichtungssysteme sind in der Zeichnung zugunsten der Uebersichtlichkeit weggelassen. Ueber der oberen Anschluss-Scheibe 18 ist eine obere Anpress-Scheibe 20 angeordnet. Entsprechend befindet sich unter der unteren Anschluss-Scheibe 21 eine untere Anpress Scheibe 22. Diese Anpress-Scheiben 20, 22 übertragen die Kraft die von einem als zentrales Verbindungselement dienenden Bolzen 23 erzeugt wird, der sich in einer durch den ganzen Stapel geführten axialen Bohrung befindet und mit einer Verschraubung (Mutter 24) versehen ist, auf den Stapel. Durch diese Presskraft werden die Scheiben derart aufeinandergedrückt, dass absolute Dichtheit der Kanäle gewährleistet ist und ein allfälliger, innerhalb der Dichtungsringe möglicher Totraum eliminiert wird. Durch entsprechende Ausrichtung der Reaktionsscheiben 1-10 fluchten ihre Reaktionskammern und Bohrungen so, dass sich im Stapel vier Kanäle ergeben, von denen jetzt jeder mit einem der Mononukleotide A, T, C oder G beschickt wird (in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet), wodurch die wachsenden DNA-Stücke simultan um das entsprechende Nukleotid verlängert werden. Dazu wird die Reaktionskammer 11 von Scheibe 1 jeweils für die entsprechende Zeit in den Kanal gebracht, dessen Nukleosid angelagert werden soll (befindet sich in der Zeichnung im Kanal, in welchem mit T verlängert wird, während sich die Kammer von Scheibe 2 im C-Kanal befindet: hier würde also C in der gleichen Zeit wie bei Scheibe 1 T angelagert werden). Alle für die Anknüpfung der Mononukleotide erforderlichen Reaktionen und Waschprozesse (Schutzgruppenabspaltung, Capping, ggf. Oxidation) finden ebenfalls simultan statt (kontinuierliches Durchflussverfahren). Nach Beendigung eines Anknüpfungszyklus werden die einzelnen Scheiben wieder so verdreht, dass ihre Kammern sich im Kanal des nächsten jeweils anzulagernden Nukleotids befinden. Zum Verdrehen der Scheiben wird die Mutter 24 gelöst und anschliessend wieder angezogen. Ist die Synthese eines DNA-Fragmentes in einer der Scheiben beendet, so wird ihre Kammer in die Leerposition gestellt, wobei die restlichen vier engen Bohrungen der Scheibe die vier Verbindungskanäle für die Verlängerung der DNA- Segmente in den anderen Reaktionsscheiben aufrecht erhalten. Nach Beendigung der Synthesen aller DNA-Segmente in den einzelnen Reaktionsscheiben wird aus ihnen nach Auseinanderbauen den Vorrichtung und Entfernen der Fritte 12 das Trägermaterial mit den anhaftenden synthetisierten Nukleotidsequenz entfernt. Nach Abspaltung der Schutzgruppen und Loslösen vom Trägermaterial werden die ge wünschen ungeschützten DNA-Segmente aus den Rohgemischen mittels eines geeigneten Reinigungsmethode in reiner Form erhalten. Um die individuelle Drehung der einzelnen Reaktionsscheiben auf die sinnvollen Winkelschritte von 720 zu beschränken, müssen mindestens sichtbare Markierungen ange bracht werden. Besser ist allerdings ein Mechanismus der bei der richtigen Winkelstellung ein Einrasten vorsieht. Die Vorrichtung kann sowohl manuell als auch mechanisch mit geeigneten Antriebsorganen bedient werden. Letztere Betriebsweise kann auch mit einer Programmsteuerung kombiniert werden. Die vorstehend als Ausführungsbeispiel beschriebene Vorrichtung besteht aus Reaktionsscheiben mit ca. 60 mm Durchmesser und ca. 10 mm Dicke. Die Bohrungen 14 haben, wie bereits erwähnt, einen Durchmesser von ca. 1 mm. Die Reaktionskammern haben einen Durchmesser von ca. 6 mm. Diese Abmessungen haben aber lediglich im Zusammenhang mit einem bestimmten Syntheseprogramm Bedeutung. Vorrichtungen mit cleichem Aufbau- und Funktionsprinzip können in weiten Grenzen wählbare Abmessungen aufweisen und können insbesondere wesentlich grösser sein als das beschriebene Ausführungsbeispiel. Auch die Zahl der Bohrungen pro Scheibe kann grösser sein als bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel. Dies ist beispielsweise für Peptidsynthesen wichtig. Ausserdem ist selbstverständlich auch die Form der Scheiben und speziell der Reaktionskammern in keiner Weise auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. So wäre es beispielsweise möglich, anstelle der kreisförmigen Anordnung der Bohrungen auf kreisrunden Scheiben eine lineare Anordnung der Bohrungen und dementsprechend eine lineare Verschiebung der Scheiben anstelle der Verdrehung vorzu sehen.

Claims: Patentansp üche 1. Vorrichtung zur Durchführung chemischer Reaktionssequenzen gekennzeichnet durch - eine erste Anzahl n von Reaktionsscheiben (1), die stapelförmig übereinander angeordnet und individuell gegeneinander verschiebbar sind, - Mittel zur Festlegung der Verschiebung in einer zweiten Anzahl m von gleichen Schritten, - m in den Schrittabständen voneinander angeordnete durchgehende Bohrungen (11, 14) der Scheiben, von denen eine je Scheibe zu einer Reaktionskammer (14) erweitert ist, - Mittel zum Zurückhalten eines Trägermaterials in der Reaktionskammer beim Durchfluss eines Reagenz. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsscheiben kreisförmig und gegeneinander verdrehbar und die Bohrungen ebenfalls kreisförmig auf ihnen angeordnet sind. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittabstände gleiche Winkelschritte sind. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Zurückhalten des Trägermaterials in der Reaktionskammer Fritten sind, die in entsprechenden Ausnehmungen der Reaktionskammer angeordnet sind. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterflächen der Reaktionsscheiben zu den Bohrungen konzentrisch umlaufende Nuten aufweisen, in denen 0-Ringe angeordnet sind.

Inventors: BANNWARTH, WILHELM, DR., IAIZA, PATRICK
Applicants: F. HOFFMANN-LA ROCHE & CO. AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1985
Main classification: B01J19
IPC codes: B01J19, C07H21, B01L11, C40B40, C40B60