Bei besonders hartnäckigen Zellen hilft beim Zellaufschluss oft nur noch der Holzhammer.
So liebevoll Biologen ihre Lieblingszellen hochpäppeln, so gnadenlos gehen sie ans Werk wenn deren letztes Stündlein geschlagen hat.
Das ist spätestens dann der Fall, wenn die Bioforscher die Ernte einfahren wollen und dazu an den Inhalt der Zellen heran müssen. Hierbei geht es in der Regel äußerst rustikal zu. Nicht jede Zelle ergibt sich freiwillig in ihr Schicksal und bei einigen Delinquenten muss man im wahrsten Sinne des Wortes den Hammer auspacken, um sie weichzuklopfen. Zwar gibt es auch subtilere Methoden für den mechanischen beziehungsweise physikalischen Zellaufschluss, aber auch bei diesen haben die Zellen nichts zu lachen. Am Ende steht immer der Tod durch rotierende Messer oder Rotoren, Glaskugelgeschosse, Metallstößel , Pistille, explodierende Luftblasen und sonstige Nettigkeiten die in speziellen Zellaufschlussgeräten auf die Zellen warten.
Möglichst schnell und gründlich sollen diese Geräte das Bollwerk der Zellwand knacken ohne dabei den wertvollen Inhalt zu beschädigen. Ein Klassiker hierfür sind Kugelmühlen, deren Namen allein schon nichts gutes für die Zellen ahnen lässt. Die simpelste Variante, die etwa Hefeforscher häufig für den Zellaufschluss einsetzen, ist ein Eppendorf-Reaktionsgefäß das mit der Zellsuspension und einer kleinen Portion winziger Glaskugeln gefüllt ist. Hält man das Reaktionsgefäß auf einen Vortexer, so beschleunigt die Schüttelbewegung die nur Bruchteile von Millimetern großen Glaskugeln so stark, das sie mit hoher Geschwindigkeit kreuz und quer durch die Zellsuspension fliegen und alle Zellen zerballern, die ihre Flugbahn kreuzen.
Wer nicht selbst von einem Vortexer durchgeschüttelt werden will und häufig größere Zellmengen aufschließen muss, kann sich eines der kommerziellen Kugelmühlen-Aufschlussgeräte zulegen bei denen die Hersteller dieses simple Prinzip perfektioniert haben. So oszillieren zum Beispiel in Schüttelkugelmühlen die Aufnahmen für die Reaktionsgefäße mit hoher Frequenz in Richtung der Gefäßachse und übertragen die Schüttelenergie dadurch auf die Glaskugeln. Da die hin und her schießenden und auf Zellen prallenden Glaskügelchen einen großen Teil ihrer Energie als Wärme abgeben, kühlt man die Reaktionsgefäße zwischen den Schüttelphasen kurz auf Eis um die freigesetzten Zellbestandteile zu schonen. Spätestens nach zwei, drei Minuten im Trommelfeuer der Glaskugeln sind nahezu alle Zellen in den Schüttelgefäßen aufgeschlossen.
Bei größeren Zellmengen beziehungsweise Zellsuspensions-Volumina stoßen Schüttelmühlen jedoch an ihre Grenzen und bevor die bei der Schüttelei auftretenden Kräfte nicht nur die Zellen sondern gleich das ganze Gerät zerlegen, steigt man besser auf eine Rotorkugelmühle um. Bei dieser rotiert ein Teflonpropeller mit hoher Geschwindigkeit in einer Kleeblattförmigen Glashaube in die man die Zellsuspension und Glaskügelchen füllt. Die von dem Propeller angetriebenen Glaskügelchen kollidieren mit den Zellen und zerstören dadurch deren schützende Zellmembran. Auch hier muss man die Zellsuspension kühlen. Dazu umhüllt man die Haube mit einem eisgefüllten Kühlmantel und unterbricht den Aufschluss in kurzen Intervallen.
Mit Schweizer Gründlichkeit rückt ein anderes Aufschlussverfahren den Zellen auf den Leib, das der Chemie-Ingenieur Peter Willems bereits 1957 in seinem Chemisch-Physikalischen Forschungsinstitut in Luzern erfand. Sein sogenannter Willems Homogenisator (auch Willems Polytron) basiert auf dem Rotor-Stator Prinzip, das so einfach wie genial ist und äußerst effektiv arbeitet.
Auf den ersten Blick könnte man den Willems Homogenisator für einen aufgemotzten Zauberstab-Mixer halten, den viele Köche und Hausfrauen zum Pürieren von Speisen benutzen. Am Ende der Polytron-Antriebswelle rotiert jedoch kein Messer wie im Zauberstab, sondern ein mehrzähniger zylinderförmiger Rotor. Dieser dreht sich passgenau und mit hoher Umdrehungszahl in einem am Boden offenen, hohlen Metallzylinder (Stator) dessen Wandung in regelmäßigen Abständen eingeschlitzt ist.
Hält man die Rotor-Stator Einheit (Generator) in eine Zellsuspension, so erzeugt der sich drehende Rotor einen Unterdruck, der die Zellen zunächst in den Generator einsaugt. Angetrieben durch die Zentrifugalkraft werden die Zellen jedoch sofort wieder durch die Schlitze des Stators aus dem Generator herausgeschleudert. Was dabei mit ihnen passiert kann man sich leicht ausmalen: Zellen die zwischen Rotor und Stator geraten werden durch entstehenden Scherkräfte auseinandergerissen und durch wiederholtes einsaugen und herausschleudern in feinste Partikel zerlegt. Im Gegensatz zu Kugelmühlen produzieren Willems Homogenisatoren kaum Wärme und erledigen ihren Job auch noch deutlich schneller. In der Regel genügen schon wenige Sekunden, um die Zellen aufzuschließen.
Ein völlig anderes Aufschlussprinzip nutzen Ultraschallhomogenisatoren, die in vielen Laboren anzutreffen sind. Hier erzeugt ein Generator am Kopfteil des stabförmigen Gerätes eine hochfrequente Spannung von 15 bis 40 kHz, die einen piezoelektrischen Keramikkristall am anderen Stabende in Schwingungen versetzt. Der Kristall ist an eine so genannte Sonotrode aus Titan gekoppelt, die die mechanische Schwingung an das Medium überträgt in dem die Zellen suspendiert sind. Weil die Flüssigkeit zu Träge ist, um der Ultraschallschwingung zu folgen, entstehen in unmittelbarer Nähe der Sonotrode winzige Vakuumblasen die sich aufgrund des Dampfdrucks der Flüssigkeit sofort mit Dampf füllen. Platzen die Dampfblasen, so erzeugen sie eine Druckwelle die auf dem Weg durch die Flüssigkeit alle Zellen zerfetzt die von ihr erfasst werden.
Wie stark die Kräfte bei dieser sogenannten Kavitation sind, müssen immer wieder auch die Konstrukteure von Schiffsschrauben leidvoll erfahren, denn Kavitationsblasen entstehen auch an Schiffspropellern die sich im Wasser drehen. Treten die Blasen zu nahe an der Schraube auf, weil diese nicht exakt berechnet wurde, zerstören sie die Schiffsschraube unweigerlich. Kein Wunder also, dass sich die Zellsuspension beim Aufschluss mit Ultraschall-Homogenisatoren ziemlich stark erwärmt und gekühlt werden sollte.
Bei einigen Zellen oder Geweben, Pflanzenforscher können ein Lied davon singen, hilft jedoch nur noch ein Bad in -196°C kaltem flüssigen Stickstoff und rohe Gewalt. Bei der Kryopulverisierung macht man die Zellen zunächst in Stickstoff mürbe und zerklopft sie dann in einem Mörser zu Pulver. Aber auch diese Holzhammer-Methode, die schon die Neanderthaler und ihre moderneren Zeitgenossen drauf hatten, kann man noch perfektionieren. 2010 stellte der irische Neurowissenschaftler Liam Loftus einen optimierten Kryopulverisierer vor.
Der aus einer Stahlarbeiterfamilie stammende Loftus war offensichtlich so genervt von den üblichen Modellen, dass er kurzerhand seinen eigenen konstruierte. Auf den ersten Blick unterscheidet sich sein Cellcrusher gar nicht so sehr von klassischen Kryopulverisierern, auf den zweiten erkennt man jedoch einige interessante Feinheiten. Sowohl der zylinderförmige Stößel mit halbkugelförmigem abgerundetem Vorderteil sowie der Mörser in dessen Bohrung der Schaft des Stößels exakt passt sind aus Edelstahl gefertigt. Auch der Boden der Mörserbohrung ist halbkugelförmig abgerundet, allerdings ist der Radius hier geringfügig weiter als beim Stößelvorderteil.
Klopft man mit einem Holzhammer auf den im Mörser steckenden Stößel so können die gefrorenen Zellen in dem kleinen Spalt seitlich ausweichen. Die Zellen werden dadurch nicht nur an der Spitze des Stößelvorderteils zerrieben sondern auf der kompletten Fläche der Halbkugel.
Sollten die Zellen nach dieser Behandlung immer noch Widerstand leisten, hilft nur noch ein spezieller Bohreinsatz des Iren sowie ein Akkuschrauber oder eine Bohrmaschine. Diese bestückt man mit Lofts Drill-Bit, einer Lolly-förmigen Edelstahl-Halbkugel deren Radius zum oben erwähnten Stahlmörser passt. Bei entsprechender Drehzahl und herzhaftem Druck auf die Bohrmaschine dürfte dieser Stahl-Lolly auch die letzten Zellen zermalmen, die zwischen ihn und den Mörserboden geraten.
Viele weitere Apparate mit denen Sie ihre Zellen stilvoll um die Ecke bringen können, finden Sie auf den nächsten Seiten.
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 05/2013, Stand: April 2013, alle Angaben ohne Gewähr)
