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Proteinreinigung
mit dem Revolver

(04.05.2022) Bei einem neuen Reinigungs­system trägt man nur das Zelllysat auf eine Säule auf und nimmt das saubere Protein danach aus dem Fraktionen-Sammler.
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Revolver und Multi-Volver

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Hersteller von Hightech-Laborgeräten bekommen es wohl allmählich mit der Angst zu tun, wenn sie durch einschlägige Fachjournale blättern. Hier finden sich immer mehr Instrumente aus dem 3D-Drucker, die mit zusätzlichen Standard­artikeln aus dem Elektronik­laden bestückt sind. Oft sind diese im Eigenbau hergestellten Geräte flexibler und an individuelle Wünsche des Experimentators anpassbar – vor allem sind sie aber billiger, und auch einfacher zu warten und zu reparieren.

Dies trifft auch für das Protein­reinigungs­system Revolver zu, das Radhakrishnan Mahadevans Team an der University of Toronto mit dem 3D-Drucker herstellte. Das Herzstück des Revolvers ist ein kreisförmiger, waagrecht auf einem Rotor angeordneter Fraktionen-Sammler mit 12 zylindrischen Steckplätzen für Mikro­zentrifugen-Tubes, der an die Trommel eines Revolvers erinnert (siehe Bild, links). Die Kanadier konstruierten den Revolver so, dass der Experimentator nur das Zelllysat auf eine Chromato­graphie-Säule auftragen muss, die an den Revolver aufgesteckt wird. Den Rest erledigt das System, das die gereinigten Proteine automatisch in den Tubes sammelt. Sechs Revolver lassen sich zu einem Multi-Volver (siehe Bild, rechts) zusammenstellen, der aussieht wie ein Karussell und sechs Proben auf einmal abfertigt – anders als zum Beispiel klassische Fast-Protein-Liquid-Chromatography (FPLC)-Systeme, die nur jeweils eine Probe aufarbeiten. Das Material für den Revolver kostet 120 Euro, das für den Multi-Volver etwa doppelt so viel.

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Selbstständige Reinigung

Sechs Proben mögen für einen routinierten Experimentator parallel handhabbar sein. Er muss dazu aber ständig die Chromato­graphie-Säulen beaufsichtigen und zum passenden Moment Wasch- oder Elutionspuffer zugeben und die Gefäße zum Auffangen der Flüssigkeiten wechseln. Der Multi-Volver übernimmt die Reinigung hingegen selbstständig und sammelt die Fraktionen mit den Proteinen in den Mikro­zentrifugen-Tubes. Das System ist handlich und findet im kleinsten Kühlraum Platz. Neben dem Fraktionen-Sammler enthält es Schläuche und Pumpen sowie Adapter und Elektronik­bauteile. Befehle lassen sich mit einer bereit­gestellten Software definieren, per USB-Kabel werden sie vom Computer zur Steuerung des Revolvers übertragen.

Der Clou am Revolver ist, dass sich die Aktionen nicht nach Volumen- oder Zeitvorgaben richten wie bei der manuellen Reinigung oder bei der Arbeit mit der FPLC. Vielmehr geben zwei Nadelpaare vor, welche Handlung ausgeführt wird. Ein Nadelpaar detektiert im Sammler für Restflüs­sigkeiten, ob gerade eine Flüssigkeit aus der Säule tropft, das andere misst den Pegelstand in den Gefäßen des Fraktionen-Sammlers.

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Kein Tropfen, kein Strom

Die Nadeln der Paare sind ein bis zwei Millimeter voneinander entfernt, eine der Nadeln ist an eine Arduino-Steuerplatine angeschlossen und empfängt digitale Befehle. Sobald die beiden Nadeln in dem Abfall-Sammler des Revolvers mit einer Flüssigkeit Kontakt haben, fließt ein Strom. Tropft nichts mehr aus der Chromato­graphie-Säule, stoppt der Stromfluss. Die Steuerung erkennt hierdurch, dass die aufgetragene Probe durch die Säule gelaufen ist und jetzt der Waschschritt an der Reihe ist. Der Befehl geht an eine entsprechende Pumpe, die den Waschpuffer durch einen Schlauch zur Säule transportiert.

Das zweite Nadelpaar ragt in das Gefäß des Fraktionen-Sammlers hinein. Sobald in diesem der vorgegebene Pegelstand erreicht ist, fließt ein Strom, welcher der Steuerung des Revolvers signalisiert, dass ein gewünschtes Volumen gesammelt wurde. Danach gibt die Steuereinheit den Befehl, zum nächsten Auffanggefäß zu wechseln.

Zuverlässig wie ein Homo laboricus

Die zwölf Auffang­gefäße stecken in regelmäßigen Abständen am Außenrand einer Scheibe, die sich auf Befehl schrittweise dreht. Zwischen den Positionen 1 und 12 ist ein längerer gebogener Schlitz, in den Flüssigkeiten von der Säule tropfen, die vor dem Elutions-Schritt anfallen. Auf einem Video der Gruppe kann man dem Revolver bei der Arbeit zusehen.

Der Revolver arbeitet so zuverlässig wie ein routinierter Homo laboricus. Die Kanadier trugen hierzu ein Protein auf ein SDS-Gel auf, das vom Revolver oder einem Labor­mitarbeiter jeweils mithilfe einer Nickel-NTA-Säule gereinigt wurde. Auf den Gelen ist kaum ein Unterschied zu erkennen.

Andrea Pitzschke

Diep P. et al. (2022): REVOLVER: A low-cost automated protein purifier based on parallel preparative gravity column workflows. Hardware X, 11:E00291

Bild: Diep P. et al.