Revolver und Multi-Volver
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.
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.
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.