(12.10.2020) Elektronische Pipetten sind wahre Alleskönner, die mehr zu bieten haben als einfaches Pipettieren. Ganz Mutige hacken sogar ihre Elektronik, um sie fernzusteuern.
Für Außenstehende dürfte die Routinearbeit in biowissenschaftlichen Laboren manchmal ziemlich befremdlich wirken: Da stehen oder sitzen Menschen in weißen Kitteln an ihren Arbeitstischen und pipettieren den lieben langen Tag winzige Flüssigkeitstropfen von einem Gefäß in das nächste. Wüsste man nicht, dass das Hin- und Herpipettieren, zumindest in den meisten Fällen, vom Verstand geleitet ist, könnte man meinen, das wichtigste Körperteil von Biowissenschaftlern sei nicht das Gehirn, sondern der Daumen, der die Pipette bedient.
Umso wichtiger ist es, diesen während des Pipettierens nicht über Gebühr zu strapazieren. Am einfachsten gelingt dies mit elektronischen Pipetten, bei denen ein sanfter Druck auf ein Touchpanel oder Softkey genügt, um das gewünschte Volumen mit Motorunterstützung aufzunehmen und wieder abzugeben.
Elektronische Pipetten bieten aber nicht nur ergonomische Vorteile. Da der Elektromotor den Verdrängerkolben mit der Präzision eines Schweizer Uhrwerks verschiebt, werden individuelle Eigenheiten der Pipettennutzer nahezu vollständig eliminiert. Zu diesen zählen zum Beispiel die Geschwindigkeit und die Konstanz der Kolbenbewegung beim Pipettieren. Bei manuellen Pipetten hängen diese Parameter vom mehr oder weniger gleichmäßigen Druck des Daumens ab. Selbst kleine Unterschiede können hier zu Schwankungen bei den aufgenommenen oder abgegebenen Volumina führen, die sich im schlimmsten Fall negativ auf die Reproduzierbarkeit eines Experiments auswirken.
Ein weiterer Pluspunkt, der ebenfalls dazu beiträgt Pipettierfehler zu vermeiden, sind abgespeicherte Pipettierroutinen. Die meisten elektronischen Pipetten enthalten automatische Vorgaben für verschiedene Pipettier-Modi zum Beispiel Rückwärts-Pipettieren, Mehrfachabgaben, Verdünnen, Titrieren oder Gel-Taschen füllen. Per Knopfdruck gibt man die nötigen Parameter ein, etwa ein bestimmtes Volumen oder die Zahl der Dispensierschritte, den Rest erledigt die Elektronik der Pipette. Zu guter Letzt erleichtert das kleine Elektronengehirn in den Griffen der Pipetten auch die Kalibrierung. In der Regel muss man dazu nur den einzelnen Schritten des Kalibrier-Modus folgen, die auf dem Display der Pipette angezeigt werden.
Es spricht also vieles dafür, elektronische statt manuelle Pipetten im Labor zu verwenden. Ganz ohne Makel sind aber auch elektronische Pipetten nicht. Da ist zum einen der deutlich höhere Preis – im Schnitt kosten elektronische Pipetten etwa das Doppelte ihrer manuellen Pendants. Zwischen knapp 300 und 600 Euro muss man für eine elektronische Einkanalpipette einkalkulieren, für übliche Mehrkanalpipetten um die 1.000 Euro. Liebäugelt man mit elektronischen Mehrkanalpipetten mit verstellbarem Spitzenabstand sind in der Regel fast 2.000 Euro fällig.
Das zweite Manko ist die etwas umständlichere Handhabung bei der Sterilisation. Manuelle Pipetten schiebt man dazu einfach bei 121 °C für zwanzig Minuten in den Autoklaven. Einer elektronischen Pipette würde eine Dampfbad-Behandlung zwar rein äußerlich auch nichts anhaben, die Elektronik in ihrem Inneren wäre aber mit ziemlicher Sicherheit hinüber. Um diese vor dem heißen Dampf zu schützen, muss man den Schaft der Pipette demontieren und separat autoklavieren. Das ist in der Regel kein großes Hexenwerk. Die Fummelei beim Auseinander- und wieder Zusammenbauen kostet dennoch Zeit und birgt zudem die Gefahr, dass man dabei schon mal eine Gummidichtung oder ein anderes Kleinteil vergisst.
Um den hohen Kosten elektronischer Pipetten aus dem Weg zu gehen, könnte man auch auf die Idee kommen, sie mit Do-it-Yourself-Verfahren selbst herzustellen. Im Gegensatz zu manuellen Pipetten, die relativ einfach mit Teilen aus dem 3D-Drucker zusammengebastelt werden können, ist dies aber kein leichtes Unterfangen. Meist scheitert es an der Integration der elektronischen Steuerung in die Pipette.
Man kann die Elektronik aber auch auslagern und außerhalb der Pipette unterbringen. Nach diesem Konzept konstruierte die Gruppe des koreanischen Bioingenieurs Sungyoung Choi von der Hanyang University in Seoul eine programmierbare Open-Source-(OS)-Pipette (RSC Adv. 9: 41877-85). Als Basis der OS-Pipette, die Chois Gruppe für die Befüllung von Mikrofluidik-Systemen einsetzt, dient eine manuelle 250-Mikroliter-Direktverdrängungs-Pipette. Bei dieser bewegt sich ein Einwegkolben innerhalb einer Kapillare und hat dabei direkten Kontakt mit der Flüssigkeit. Die Kolbenbewegung erzeugt hierdurch eine sehr gleichmäßige Flussrate sodass auch problematische Flüssigkeiten vollständig dispensiert werden, ohne Tröpfchen zu hinterlassen. Der grundsätzliche Aufbau der OS-Pipette sollte aber auch mit einer üblichen Luftverdrängungs-Pipette funktionieren.
Am Handgriff der Pipette wird ein kleines Gestell befestigt. Dieses besteht aus zwei senkrechten Aluminiumsäulen sowie zwei waagrecht an den Enden der Säulen angeordneten Plastikscheiben mit quadratischer Grundfläche aus dem 3D-Drucker. Parallel zu den Säulen verläuft in der Mitte des Gestells eine etwa zehn Zentimeter lange Gewindestange, die mit der Antriebsachse eines darüber sitzenden Schrittmotors verbunden ist. Die untere Plastikscheibe ist fest mit den Säulen verbunden, die obere lässt sich hingegen mithilfe zweier Bohrungen, durch die die Säulen geführt werden, parallel zu diesen verschieben. Im Zentrum dieser beweglichen Plastikscheibe sitzt eine Schraube, durch die die Gewindestange läuft. Dreht sich das Gewinde, bewegt sich die Plastikscheibe parallel zu den Säulen nach oben oder nach unten. Jetzt muss man das Gestell nur noch so an dem Griff der Pipette anordnen, dass eine Ecke der Plastikscheibe direkt über dem Pipettierknopf liegt. Setzt sich die Gewindestange durch eine Drehung des Schrittmotors in Bewegung, drückt die Plastikscheibe den Knopf nach unten oder gibt ihm den Weg nach oben frei.
Die Steuerung der Pipette übernimmt ein Mikrocontroller, den man für knapp zwanzig Euro im Elektrohandel erhält, in der gleichen Preislage liegen auch der Schrittmotor und die zwei Alusäulen. Zusammen mit der Direktverdrängerpipette, die mit etwas mehr als 300 Euro zu Buche schlägt, kostet die selbstgebastelte OS-Pipette über den Daumen gepeilt 400 Euro. Ihre präzisen Flussraten prädestinieren sie insbesondere als flexibles und portables Pumpsystem für Mikrofluidik-Chips, das genauso exakt arbeitet wie die hierfür meist eingesetzten, aber wesentlich teureren Spritzenpumpen. Chois Team pumpte mit der OS-Pipette zum Beispiel Blut durch einen mikrofluidischen Blutplasma-Separator, um es für Flüssigbiopsien aufzubereiten.
Wer mit dem Lötkolben umgehen kann und keine Scheu davor hat, eine elektronische Pipette aufzuschrauben, um an ihre Steuerplatine heranzukommen, kann auch ihre Elektronik hacken, um sie für gewünschte Aufgaben umzuprogrammieren. Wie das geht, zeigt zum Beispiel das 2018er iGEM-Team aus Grenoble auf seiner Webseite (http://2018.igem.org/Team:Grenoble-Alpes). Die Franzosen hatten damals ein ziemlich ehrgeiziges iGEM-Projekt: Mit einer kleinen karussellförmigen Workstation wollten sie automatisch Bakteriophagen isolieren, die für eine Therapie gegen Antibiotika-resistente Keime in Frage kommen. Als Pipettierkopf der Workstation verwendete die Gruppe eine elektronische Pipette, die sie mit einer 3D-gedruckten Halterung über dem Karussell der Workstation montierte. Die Steuerung der Pipette manipulierte das Team mit einem raffinierten Trick: Die Jungforscher löteten dünne Kabel an die sechs verschiedenen Druckschalter, mit denen die Pipette normalerweise bedient wird, und schlossen diese an einen sogenannten Optokoppler an, der mit einer externen Steuerplatine verbunden ist.
Optokoppler bestehen aus einer Leuchtdiode sowie einem Fotosensor und funktionieren wie elektrische Schalter, die auf Licht reagieren und Strom ohne direkte elektronische Verbindung übertragen. Die Schalteinheit auf der Steuerplatine ist hierdurch elektrisch von der internen Schalteinheit der Pipette getrennt und beeinflusst diese nicht. Erreicht ein von der Platine ausgehender Strom eine der Leuchtdioden, strahlt diese Licht aus. Der Fotosensor wandelt das Licht in einen elektrischen Strom um, der durch den jeweiligen Druckschalter fließt und die gewünschte Reaktion der Pipette auslöst.
Nicht immer muss man jedoch die Pipette modifizieren, um sie für eine spezielle Technik einsetzen zu können, manchmal genügt es, einfach nur die Pipettenspitzen etwas zu frisieren. Ein schönes Beispiel hierfür ist der ELISA-in-a-tip-Assay, den die Gruppe des Chemikers James F. Rusling an der University of Connecticut entwickelte (Anal. Chem. 91(11): 7394-02). Ruslings PhD-Student und Erstautor des Papers, Mohamed Sharafeldin, war offensichtlich so genervt von der ewigen Wascherei bei den klassischen, in Mikrotiterplatten durchgeführten ELISA-Assays, dass er nach einer schnelleren Alternative suchte – und dabei auf die Idee kam, den ELISA in Pipettenspitzen durchzuführen.
Eigentlich müsste der Assay ELISA-in-a-3D-printed-tip heißen, denn die hierfür nötigen Spitzen kommen aus dem 3D-Drucker. Ruslings Team hat sowohl eine Spitzen-Variante für Einkanal- als auch eine für Mehrkanalpipetten konzipiert, der Aufbau ist bei beiden Ausführungen aber gleich. Die Spitze ist in drei Hohlräume eingeteilt: einer Pipettenaufnahme, die zu verschiedenen Pipettenmarken passt; der eigentlichen Immunoassay-Kammer, in der der ELISA stattfindet, sowie einem dünnen Einlasszylinder. Letzterer hat ein Füllvolumen von fünf Mikrolitern, in die ELISA-Kammer passen 50 Mikroliter. Damit die Primär-Antikörper an der Plastikwandung der ELISA-Kammer anhaften, wird diese zunächst mit Chitosan beschichtet, indem man einfach eine Chitosan-Lösung in die Spitze aufzieht und drei Stunden in dieser inkubiert. Danach wird die Lösung wieder ausgepustet und die Spitze getrocknet. Nach dem gleichen Prinzip wird das Chitosan anschließend mit einer Glutaraldehyd-Lösung aktiviert, wobei funktionelle Gruppen entstehen, an welche die Primär-Antikörper binden, die im letzten Schritt aufgenommen werden.
Der in den mit Primär-Antikörpern dekorierten Spitzen ausgeführte ELISA-Assay verläuft analog zu einem Sandwich-Assay in Mikrotiterplatten. Die Spitzen werden mit den Proben befüllt, 30 Minuten inkubiert, dreimal gewaschen und dann mit dem Sekundär-Antikörper inkubiert. Die Detektion erfolgt entweder kolorimetrisch mit Meerrettich-Peroxidase und dem üblichen Tetramethylbenzidin-Farbstoff oder mit einem Chemilumineszenz-Assay.
Nach den Angaben der Gruppe liefert der ELISA-in-a-tip genauso exakte Ergebnisse wie ein als Vergleich durchgeführter traditioneller ELISA. Er spart aber ein Viertel der Reagenzien und ebenso viel Zeit ein. Der Assay könnte also einen Versuch wert sein – das eingesparte Geld können Sie dann gleich in eine der vielen elektronischen Pipetten auf den nächsten Seiten investieren.
Elektronische Pipetten im Überblick
(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 10/2020, Stand: September 2020, alle Angaben ohne Gewähr)