Vorder- und Rückansicht (r.) des Portoporators mit angeschlossenem Küvettenhalter. Das Gerät ist kleiner als eine Schuhschachtel und wiegt nur 700 Gramm. Foto: AG Gilbert
(08.12.2019) Ein Portoporator – was soll das denn sein? Ganz einfach: Ein tragbarer Elektroporator, den man für wenig Geld selbst bauen kann.
Die Elektroporation ist eine vielseitige Methode zur genetischen Modifikation von pro- und eukaryotischen Zellen. Dabei werden Zellen, Gewebe oder auch ganze Organismen für Sekundenbruchteile (Nano- bis Millisekunden) einem starken elektrischen Feld von wenigen hundert bis zu mehreren tausend Volt ausgesetzt.
Der elektrische Puls öffnet kleine Poren in der Zellmembran oder -wand, durch die geladene Moleküle, wie zum Beispiel DNA, Wirkstoffe oder Nanopartikel, ins Zellinnere gelangen können. Je nach Dauer des elektrischen Pulses und der eingesetzten Spannung verschließen sich die Poren wieder oder bleiben irreversibel bestehen. In letzterem Fall bilden sie einen Zugang zum Zellinneren und führen hierdurch zum Absterben der Zellen.
Die Elektroporation wird nicht nur in der Gentechnik und Biotechnologie eingesetzt, sondern auch in der therapeutischen Medizin, der Lebensmitteltechnik oder der Biomasseproduktion. Sie funktioniert mit verschiedenen Zelltypen, zu denen zum Beispiel Primär-, Blut-, Sperma- und Stammzellen, Blastozysten, Zygoten sowie Pflanzen- und Bakterienzellen zählen.
Kommerzielle Elektroporations-Instrumente sind aber in der Regel groß und immobil. Darüber hinaus sind sie teuer, kompliziert zu handhaben und liefern nur wenig Informationen zu den Charakteristika der generierten elektrischen Pulse. Daher haben wir in der Arbeitsgruppe von Daniel F. Gilbert am Lehrstuhl für Medizinische Biotechnologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg einen eigenen tragbaren Elektroporator entwickelt, den wir als Portoporator bezeichnen (Biosens Bioelectron. 131: 95-103).
Das Gerät kann mit sogenannten Rapid-Prototyping-Technologien, wie 3D-Druck und Open-Source-Mikrocontrollern, sowie kostengünstigen elektronischen Bauteilen in kurzer Zeit nachgebaut werden. Der Portoporator benötigt wenig Platz (180 x 210 x 70 Millimeter) und wiegt nur 700 Gramm. Damit ist er perfekt für den mobilen Einsatz geeignet. Auch die Materialkosten von etwa 130 Euro sind unschlagbar günstig.
Herzstück des Systems ist die Elektronik zur Erzeugung der elektrischen Pulse. Der hierzu nötige Schaltkreis basiert auf wenigen Komponenten. Zu diesen gehören im Wesentlichen: Ein kostengünstiger Spannungswandler, der aus fünf Volt etwa fünfhundert Volt erzeugt; ein Kondensator, der die hohe Spannung für die Pulserzeugung speichert; sowie einige Transistoren, um den Puls auszulösen. Die Parametrisierung der Pulsdauer steuert ein Mikrocontroller. Den Schaltkreis sowie eine detaillierte Teileliste, inklusive der Bezugsquellen für den einfachen Nachbau des Geräts, finden Sie in den Supplements unseres Papers.
Der Portoporator ist mit einem Modul für Elektroporations-Küvetten ausgestattet. Die standardisierten und kommerziell erhältlichen Küvetten bestehen aus einem transparenten Kunststoffgehäuse, in das zwei wenige Millimeter voneinander entfernte, großflächige Elektroden eingearbeitet sind. Löst die Elektronik einen Puls aus, entsteht zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld, das zur Porenbildung in der Zellmembran oder Zellwand führt.
Wir haben den Portoporator eingesetzt, um Bakterienzellen zu transformieren. Dazu wurden die Zellen mit tausend Millisekunden langen Pulsen behandelt. Genaue Details zur genetischen Modifikation von Bakterienzellen mit dem Portoporator finden Sie als Schritt-für-Schritt-Anleitung in unserer Publikation. Den Code des Mikrocontrollers kann man aber auch umprogrammieren. Auf diese Weise lässt sich der Portoporator unkompliziert und schnell an die Elektroporation anderer biologischer Proben anpassen.
Max A. Schmitt, Oliver Friedrich & Daniel F. Gilbert