Un procedimiento para determinar las propiedades termodinámicas de una muestra química/biológicausando un sistema que comprende una cámara ambiental y un calorímetro microelectrónico que tiene un soporte demuestra acoplado a un termómetro,

comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

introducir la muestra en una cámara ambiental dispensando la muestra sobre el soporte de muestra;estimular la primera muestra; y

determinar una o más propiedades termodinámicas de la muestra usando el termómetro para medir latemperatura que resulta de dicha etapa de estimulación;

caracterizado porque

la cámara ambiental se equilibra de modo que la presión de vapor dentro de la cámara está dentro deun umbral predeterminado respecto a la presión de vapor de la muestra.

Sistema y procedimiento para un calorímetro mejorado para determinar propiedades termodinámicas de reacciones químicas y biológicas.

Esta invención se ha hecho con el apoyo del gobierno con la subvención de la NSF nº BIR 9513629 concedida por la National Science Foundation. El gobierno tiene ciertos derechos en esta invención.

Antecedentes de la invención

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a un sistema y procedimiento para un calorímetro mejorado, y más específicamente, a un sistema y procedimiento para un calorímetro mejorado para determinar propiedades termodinámicas de reacciones químicas y biológicas.

Técnica relacionada

La absorción de calor y/o liberación de calor es ubicua en las reacciones químicas y biológicas. La información termodinámica que caracteriza estas reacciones se mide directamente mediante calorimetría. La información termodinámica proporciona conocimiento de las fuerzas moleculares que dirigen estas reacciones.

Los calorímetros convencionales usados para medir reacciones químicas y biológicas, en general comprenden una celda de fluido y una jeringa de inyección. La celda de fluido se carga con una muestra de receptor líquida. Un ejemplo de una muestra de receptor es una disolución de proteína. La celda de fluido después se pone entonces en una cámara cilíndrica llena de líquido, en la que posteriormente se hacen las mediciones de temperatura.

La jeringa de inyección se carga con un ligando, tal como un fármaco que se une a la muestra de receptor cuando se inyecta en la celda de fluido. Después se inyecta un volumen conocido de la disolución de ligando en la celda de fluido que contiene la disolución de muestra de receptor. Cuando esto ocurre, las disoluciones de muestra de ligando y receptor se unen, lo cual produce calor que se va a liberar. Mediante las realizaciones de esta invención, los calorímetros usados para estudiar las muestras en estado sólido de película fina como describen, por ejemplo, Denlinger, y col., "Thin film microcalorimeter for heat capacity measurements from 1.5 to 800K, " American Institute of Physics, Rev. Sci. Instrum. 65 (4) :946-959, (April 1994) , así como las narices electrónicas como en Koll, A. y col., Micromachined CMOS Calorimetric Chemical Sensor with On-chip Low Noise Amplifier", IEEE International MicroElectromechanical Systems Conference, New York, NY; IEEE, 1999 pág. 547-551) , se usan de una forma que hacen obsoletos los calorímetros convencionales descritos antes. Cuando esto ocurre, las disoluciones de muestra de ligando y receptor se unen, lo cual produce calor que se va a liberar.

Los termómetros, dentro de la cámara cilíndrica llena de líquido, miden con precisión la cantidad de calor liberado durante este procedimiento. Esta información se registra, y se repiten las etapas de inyección y medición. Este procedimiento continúa hasta que ya no se libera más calor. Esto indica que se han llenado todos los sitios de unión. Una vez completado el procedimiento entero, los científicos pueden determinar las propiedades termodinámicas asociadas con las dos moléculas que interaccionan.

Es decir, debido a que se conocen los volúmenes exactos de las muestras, así como la cantidad precisa de calor liberado, los científicos pueden determinar propiedades tales como la constante de equilibrio de unión, la relación de moléculas que participan en la reacción (estequiometría) , y el calor de unión. Típicamente, estas propiedades se determinan construyendo una curva de unión que comprende múltiples puntos de datos que se obtienen de cada una de las reacciones como se ha descrito antes.

El problema con los calorímetros químicos/biológicos convencionales es que el procedimiento anterior es muy meticuloso y requiere mucho tiempo. Además, la sensibilidad de los sistemas actuales es bastante limitada. Por ejemplo, típicamente los sistemas actuales no pueden medir constantes de unión-disociación inferiores a 10-8 (o constantes de unión-afinidad superiores a 108) . Hay que indicar que la expresión “constante de unión” en lo sucesivo se define como la constante de disociación. Sería conveniente aumentar la sensibilidad de los calorímetros químicos/biológicos de modo que se puedan detectar y medir las constantes de unión menores.

Además, el estado actual de la técnica de los calorímetros requiere volúmenes de muestra relativamente grandes, del orden de un mililitro. El uso de estos volúmenes de muestra grandes puede ser muy caro, en especial para operaciones a gran escala, tal como el cribado farmacéutico de fármacos de alta capacidad. Además también, los sistemas actuales requieren que las disoluciones sean más diluidas a medida que aumentan las constantes de unión de los sistemas [0010] Además, los volúmenes grandes de muestra requeridos por los calorímetros actuales impide el estudio de determinados fenómenos. Por ejemplo, muchas proteínas, tales como factores de transcripción, existen en cantidades relativamente pequeñas en la célula. Además, la amplificación no es posible hasta que un gen es clonado y se ha desarrollado un sistema de expresión. Por consiguiente, los científicos no pueden estudiar las propiedades termodinámicas de dichas proteínas usados los sistemas actuales.

Por consiguiente, lo que se necesita es un sistema y procedimiento para determinar las propiedades termodinámicas de reacciones biológicas y químicas, que se pueda llevar a cabo usando volúmenes inferiores, pueda detectar constantes de unión inferiores, y se pueda llevar a cabo de forma más eficaz y económica que los sistemas de calorímetros químicos/biológicos convencionales.

Resumen de la invención

De acuerdo con un primer aspecto de la invención, se proporciona un procedimiento para determinar las propiedades termodinámicas de una muestra química/biológica usando un sistema que comprende una cámara ambiental y un calorímetro microelectrónico que tiene un soporte de muestra acoplado a un termómetro, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de: introducir la muestra en una cámara ambiental dispensando la muestra sobre el soporte de muestra; estimular la primera muestra; y determinar una o más propiedades termodinámicas de la muestra usando el termómetro para medir la temperatura que resulta de dicha etapa de estimulación; caracterizado porque la cámara ambiental se equilibra de forma que la presión de vapor dentro de la cámara está dentro de un umbral predeterminado en relación con la presión de vapor de la muestra.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporciona un sistema para determinar las propiedades termodinámicas de un primer conjunto de muestras que comprende: una cámara ambiental; una primera matriz que comprende una pastilla que comprende una pluralidad de calorímetros para soportar el primer conjunto de muestras, en el que cada calorímetro comprende: una estructura térmicamente aislada dentro de un marco; un termómetro montado en dicha estructura; y una superficie de muestra para recibir dichas muestras; caracterizado porque, la cámara ambiental está dispuesta para mantener una presión de vapor similar a la presión de vapor del primer conjunto de muestras.

La presente invención posibilita un sistema y procedimiento para determinar las propiedades termodinámicas de reacciones biológicas y químicas que se van a producir, en el que las reacciones se pueden llevar a cabo usando volúmenes mucho menores, y pueden detectar constantes de unión inferiores que los sistemas actuales. Además, el sistema y procedimiento de la presente invención se pueden llevar a cabo de forma más eficaz y económica que los sistemas de calorímetros químicos/biológicos convencionales. Por ejemplo, la determinación de la constante de equilibrio de unión usando técnicas de valoración convencionales que implican múltiples inyecciones, puede tardar en completarse del orden de 1 hora. Usando la técnica del perfil termodinámico como se describe a continuación, las constantes de equilibrio de unión se calculan en segundos o minutos.

En el funcionamiento, la presente invención aumenta espectacularmente la sensibilidad de los calorímetros usados para estudiar los sistemas químicos y biológicos. Esto incluye el estudio termodinámico de las interacciones proteína-proteína y proteína-ADN, la termodinámica y cinética de la unión de fármacos tanto para las proteínas como el ADN, los estudios de ocupación de fármacos y los estudios de plegado... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para determinar las propiedades termodinámicas de una muestra química/biológica usando un sistema que comprende una cámara ambiental y un calorímetro microelectrónico que tiene un soporte de muestra acoplado a un termómetro, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

introducir la muestra en una cámara ambiental dispensando la muestra sobre el soporte de muestra;

estimular la primera muestra; y determinar una o más propiedades termodinámicas de la muestra usando el termómetro para medir la temperatura que resulta de dicha etapa de estimulación;

caracterizado porque la cámara ambiental se equilibra de modo que la presión de vapor dentro de la cámara está dentro de un umbral predeterminado respecto a la presión de vapor de la muestra.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha etapa de estimulación se lleva a cabo añadiendo una segunda muestra a la muestra química/biológica.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho calorímetro microelectrónico comprende además un dispositivo de entrada de energía y dicha etapa de estimulación se lleva a cabo introduciendo energía en la muestra usando el dispositivo de entrada de energía.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho sistema comprende además un segundo calorímetro microelectrónico que tiene un segundo soporte de muestra, comprendiendo dicho procedimiento además las etapas de:

introducir una segunda muestra en la cámara, dispensando la segunda muestra sobre un soporte de segunda muestra;

mezclar las muestras entre sí; y usar el termómetro para determinar una o más propiedades termodinámicas adicionales relacionadas con la mezcla.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que dicha etapa de mezcla se realiza intercalando el primer y el segundo microcalorímetros entre sí.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho calorímetro microelectrónico comprende:

una membrana fina amoría anclada en un marco que la rodea; y dicho soporte de muestra comprende una capa fina de conducción térmica, térmicamente aislada, depositada sobre una parte central de la membrana para soportar las muestras en un lado y acoplada al termómetro en el otro lado.

7. Un sistema para determinar propiedades termodinámicas de un primer conjunto de muestras que comprende:

una cámara ambiental;

una primera matriz que comprende una pastilla que comprende una pluralidad de calorímetros para soportar el primer conjunto de muestras;

en el que cada calorímetro comprende:

una estructura térmicamente aislada dentro de un marco; un termómetro montado en dicha estructura; y una superficie de muestra para recibir dichas muestras;

caracterizado porque la cámara ambiental está dispuesta para mantener una presión de vapor similar a la presión de vapor del primer conjunto de muestras.

8. El sistema de la reivindicación 7, que además comprende:

una segunda matriz que comprende una pastilla que comprende una pluralidad de calorímetros para soportar un segundo conjunto de muestras; y medios para mezclar el primer y el segundo conjunto de muestras intercalando entre sí dichas primera y segunda matrices.

9. El sistema de la reivindicación 8, en el que cada uno de dichos calorímetros comprende además: un

dispositivo de entrada de energía acoplado a dicha estructura térmicamente aislada.

10. El sistema de la reivindicación 9, en el que dicho dispositivo de entrada de energía es un calentador.

11. El sistema de la reivindicación 9, en el que dicho dispositivo de entrada de energía y dicho termómetro están acoplados en un lado de dicha estructura térmicamente aislada y dichas muestras se ponen en el otro lado.