Chaotrope Salze

Das gezähmte Durcheinander

von Cornel Mülhardt

Nach dem Kuddelmuddel mit der richtigen Reihenfolge von Beiträgen für diese Rubrik (siehe LJ 3/2002 an dieser Stelle) hat sich unser Methoden-Autor - natürlich! - gleich mit dem passenden Thema beschäftigt. Voila: Ein chaotropes Durcheinander, gezähmt von Cornel Mülhardt.

Der Nachwuchs ist auch nicht mehr das, was er einmal war. Fragt man einen der Youngster von heute, wie man DNA aufreinigt, wird man vielleicht eine längere Abhandlung darüber hören, welches Kit zur Zeit als das Beste gilt, ohne ein Sterbenswörtchen darüber zu erfahren, wie die Wundermittelchen überhaupt funktionieren. Ich würde ja gerne darüber klagen, dass früher diesbezüglich noch alles besser war, wenn ich nicht genau wüsste, dass sich auch vor fünfzehn Jahren nur eine kleine Minderheit für Fragen nach dem Wie interessiert hat. Die Welt hat deswegen auch nicht nicht aufgehört, sich zu drehen.


Glasmilch aus den 70ern...

Ein Beispiel für tiefschürfende Fragen, die sich auch früher schon kein Molekularbiologe gestellt hat, bietet die Reinigung mittels Glasmilch, die sich in den Siebziger Jahren schrittweise herausmendelte, um dann in der Publikation von Vogelstein und Gillespie von 1979 (PNAS 76.615) zu kulminieren.

Sie erinnern sich: DNA-Lösung mit Salzlösung versetzen, ein wenig von dieser magischen Glaskügelchen-Suspension dazugeben, diese ein, zwei Mal waschen und die DNA anschlie­ßend mit Wasser oder TE eluieren. Die Methode hat mich von Anfang an fasziniert, weil sie schnell war und man sich diese lästige DNA-FäIlung sparte, die bei den anderen Methoden am Schluss immer anfiel. Außerdem war diese Technik damals nicht so stark verbreitet und die Grenzen des Machbaren noch nicht so recht ausgelotet. In den Kaffeepausen konnte man sich dann so herrliche Geschichten erzählen was man wieder für abenteuerliche Sachen erfolgreich ausprobiert hatte. Welch heldenhafte Zeit.


... eine heldenhafte Zeit!

Außerdem war der Name so schön anschaulich - das Zeug hieß nicht nur Glasmilch, es sah auch so aus. Die Industrie hat sich mittlerweile gründlich der Fortentwicklung dieser Methode angenommen; seither arbeitet man meist mit Silicamembranen statt mit Kügelchen, was die Handhabung erheblich erleichtert. Die wilden Entdeckergefühle haben sich allerdings verflüchtigt, seit es für jede Lebenslage ein eigenes Kit gibt, sei es für kleine, große oder megagroße Fragmente, für die DNA-Reinigung aus Agarose, PCR, Blut, Mammuts oder Motoröl. Auch der Name hat darunter gelitten, heute nennt sich sowas"silica gel based DNA purification". - Bäh!


Wieso aber funktioniert das?

Ulkigerweise hat sich kaum jemand je die Frage gestellt, wieso das Ganze überhaupt funktioniert. Sicher, dass man nicht irgendein beliebiges Salz verwenden kann, das wissen die Meisten, ein chaotropes Salz muss es sein. Aber was bitteschön ist ein chaotropes Salz? CHAOS. Die alten Griechen verstanden darunter den Urzustand der Welt. Allzu weit hat sich die Welt von diesem Urzustand in den letzten Jahrmilliarden nicht entfernt, wenn ich mir so die Zustände im Nahen Osten oder auf meinen Schreibtisch anschaue.

Aber was heißt "chaotrop"? Eine eingehende etymologische Untersuchung meinerseits ergab, dass tropos soviel wie "Hinwendung" heißt, was irgendwie nicht so viel Sinn macht, weshalb man es wohl besser mit "chaosgenerierend" übersetzt (im richtigen Leben nennt man sowas "Globalisierungsgegner"). Was mich auch noch nicht schlauer machte.

Mein nächster Griff galt daher einem Standardwerk der organischen Chemie, das ich mir seinerzeit zum Abschluss meines Studiums geleistet habe, im irrigen Glauben, damit all meine Wissensdefizite auf dem Gebiet der Substanzen, die Krach, Bumm und Zott machen, ausgleichen zu können. Tolles Buch, fast 1500 eng bedruckte Seiten und ein wahres Referenzwerk, wie ich mir damals von hochprofessionellen Chemikern versichern ließ. Den Namen des Buches verrate ich lieber nicht, um Problemen mit dem Verlag aus dem Weg zu gehen - ich habe nämlich bis heute keine meiner lebenswichtigen Fragen damit beantworten können. Auch der Begriff "chaotrop" taucht im Register nicht auf. Weder in diesem Wälzer noch in einem seelenverwandten Werk zur Anorganischen Chemie noch in sonst einem Buch meiner unbedeutenden kleinen naturwissenschaftlichen Privatbibliothek. Sie können sich vorstellen: Mein Ehrgeiz war geweckt!


Alles erstunken und erlogen?

Machen wir's kurz: Nachdem ich bei Merck und im Sigma-Katalog genausowenig fündig wurde, keimte in mir langsam der Verdacht auf, es könnte sich dabei um eine dieser berühmten Informationskampagnen der amerikanischen Armee handeln - alles erstunken und erlogen. Blieb nur noch der Griff zum Internet, dem Schatzkästchen der westlichen Informationskultur, wo man alles findet, was irgendein wohlmeinender Harry nicht für sich behalten konnte. Erstaunt es Sie noch, wenn ich Ihnen sage, dass ich auch dort nur mäßig fündig geworden bin?

Immerhin stellte sich heraus, dass es so etwas DAS chaotrope Salz gar nicht gibt. Alles ist relativ, die einen sind es mehr, die anderen weniger. Allerlei Anionen und Kationen wirken in unterschiedlichem Maße auf die Struktur des Wassers ein. Vergleicht man die Fähigkeit dieser Ionen, die hydrophoben Kräfte, welche die Proteine in wässriger Umgebung in ihrem Innersten zusammenhalten, zu beeinflussen, stellt man fest, dass sich regelrecht Reihen aufstellen lassen. Für Anionen sieht das ungefähr folgendermaßen aus: F- > P0₄^3- > So₄^2-> CH₃C00^- > Cl^- > Br^- > I^- > N0₃^- > Cl0₄^- > SCN^- > Cl₃CCOO^-, und für Kationen dergestalt: NH₄²⁺ > Rb⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺ > Ba²⁺ . Hofmeister-Reihe heißt sowas angeblich, aber an Ihrer Stelle würde ich nicht ernsthaft in den Lehrbüchern danach suchen. Zumindest nicht in denen, die bei mir herumstehen.

Ein wenig hat sich das Dunkel damit gelichtet. Die Ionen am linken Ende der Reihe verstärken gewissermaßen den polaren Charakter des Wassers und damit die hydrophoben Bindungskräfte im Protein, stabilisieren sie also dadurch.

Durch hohe Salzkonzentrationen kann man den Proteinen dann die Hydrathülle entziehen, die Proteine fallen aus, behalten aber ihre Struktur bei und häufig sogar ihre Aktivität. Das kennt jeder aus dem Biochemie-Grundpraktikum unter der Bezeichnung "Aussalzen" mit Ammoniumsulfat.


Links Ordnung, rechts Chaos

Am rechten Ende dagegen spielt sich genau der entgegengesetzte Effekt ab, die betreffenden Ionen brechen die relativ geordnete Struktur des Wassers auf - erhöhen also das Chaos! - und machen das Wasser damit gewissermaßen hydrophober (auch wenn's widersinnig klingt). Die hydrophoben Interaktionen im Protein werden destabilisiert, weil die Löslichkeit der hydrophoben Seitenketten in der wässrigen Brühe steigt, und das Protein denaturiert. Das gilt auch für Agarose, weshalb sich die Glasmilch-Methode so hervorragend zur Reinigung von DNA aus Gelstückchen eignet.

Nur DNA und RNA bleiben unbeeindruckt, weil die Kräfte, die den göttlichen Reißverschluss zusammenhalten, nicht hydrophober Natur sind. Und um das Wunder komplett zu machen, sättigen die Kationen der chaotropen Salze in hohen Konzentrationen auch noch die negativen Ladungen auf der Oberfläche des Glases ab und laden es positiv, eine Grundvoraussetzung dafür, dass die Nukleinsäuren überhaupt binden können.


Ulkiges zum Schluss

Ulkig nur, dass die klassischen chaotropen Salze wie Natriumiodid, Natriumperchlorat und Guanidiumthiocyanat gar nicht am rechten Ende der Reihe stehen. Da gibt es offenbar noch Verbesserungspotential. Wenn Natriumiodid gut funktioniert, wie gut muss dann erst Bariumtrichloracetat sein!!! Schon wieder eine tiefschürfende Frage, die sich kein Molekularbiologe je gestellt hat...




Letzte Änderungen: 08.09.2004