CMOS-based peptide arrays [Elektronische Ressource] / put forward by Kai König

Publié le : vendredi 1 janvier 2010
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CMOS – Based Peptide Arrays









Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences


put forward by
Dipl. Phys. Kai König
born in Heidelberg

May 2010

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences





























Put forward by
Diplom-Physiker: Kai Lars König
Born in: Heidelberg
Oral examination: 21.07.2010

CMOS – Based Peptide Arrays






























Referees: Prof. Dr. Volker Lindenstruth

PD Dr. Ralf Bischoff

Peptidbibliotheken auf CMOS - Basis

Peptidarrays sind ein wichtiges Werkzeug für die Proteomik und Peptidomik, da auf ihnen
eine große Zahl Peptide parallel auf einem gemeinsamen Träger synthetisiert und
Zielmolekülen in Lösung ausgesetzt werden können. Bei partikelbasierter Synthese werden
die Aminosäuren für die in-situ-Synthese in festen Partikeln zu ihren Syntheseloki
transportiert und durch Schmelzen freigesetzt. Dies erlaubt eine Vergrößerung der Dichte
verglichen mit flüssigkeitsbasierten Systemen.
Diese Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung anwendungsspezifischer Hochspannungs-
schaltungen für die elektrostatische Ablagerung geladener Aminosäurepartikel und deren
Einbettung in ein kombinatorisches Peptidsysnthesesystem.
Der Übertrag von Aminosäurepartikeln aus dem Aerosol zu Syntheseloki auf der
Chipoberfläche wurde für Pixelmittelpunktsabstände von 45 µm bis 100 µm untersucht. Die
Kompatibilität zwischen Chips, Partikelübertrag und poly-(ethylenglykol)methacrylat-
basierten Oberflächenmodifikationen wurde erarbeitet. Die ersten kombinatorischen Syn-
thesen auf CMOS-Chips mit über 16.000 individuellen Syntheseorten pro Chip, bei einer
2Dichte von 10.000 Spots pro cm , wurden durchgeführt. Dies ist eine 25-fache Verbesserung
2im Vergleich zu den 400 Spots pro cm , die momentan auf laser-bedruckten Glasträgern
verfügbar sind. Für FLAG- und HA-Peptidepitope zeigte ein Immunassay regelmäßige Spots
mit vergleichbarer Signalintensität über den gesamten Chip.





CMOS - Based Peptide Arrays

Peptide arrays are an important tool in proteomics and peptidomics, allowing a large number
of peptides to be synthesized on a common support and exposed to a solution of target
molecules in parallel. In particle-based synthesis, the amino acids for in situ synthesis of
peptides are transported to synthesis loci in solid particles and released upon melting,
allowing an increase in density over liquid-based systems.
This thesis focuses on the development of application-specific high voltage integrated circuits
for electrostatic deposition of charged amino acid particles and their integration into a
combinatorial peptide synthesis system.
Transfer of amino acid particles from the aerosol to synthesis loci on the chip surface was
investigated for a pixel pitch between 45 µm and 100 µm, and compatibility between the
chips, particle transfer and the poly(ethylene glycol)methacrylate - based surface modifi-
cations was established. The first combinatorial syntheses on CMOS chips were performed
2with over 16,000 distinct synthesis sites per chip, at a density of 10,000 spots per cm , which
2is a 25-fold increase over the 400 spots per cm currently available on laser-printed glass
slides. For FLAG and HA peptide epitopes, immonostaining showed regular spots of
comparable signal intensity over the whole chip area.



Content Overview
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1


PART I: FUNDAMENTALS
1 Peptide Arrays: Generation and Applications . . . . . . . . . . . . . 7

2 Application Specific Integrated Circuits . . 19

3 Microparticle Technology and Particle Transfer . . . . . . . . . . . . 35
PART II: NEW MATERIALS AND METHODS
4 Particle-Based Peptide Synthesis – Related Works . . . . . . . . . . . 59

5 Microchip Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67


PART III: RESULTS AND DISCUSSION
6 Transfer of Amino Acid Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
7 On-Chip Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

8 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . 167


APPENDICES
A1 Introduction to Amino Acids, Peptides and Proteins . . . . . . . . . . 171

A2 Bond Pad Lists and Bond Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . 179

A3 Pressure Tolerance of Peptidchip 3.1 185

A4 Peptidchip 5 Main PCB Schematics . . . . . . . . . . . . . . . . 187

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