DE102006020463B4 - Method for removing nucleic acids from a liquid, method for producing adsorber elements and use of membrane adsorber material blend - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum wenigstens teilweisen Entfernen von Nukleinsäuren (18) aus einer Flüssigkeit (12), wie sie beim Aufschluss von Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Pilzen, Protozoen oder von Zellkulturen eukaryontischer Herkunft und von Geweben tierischer oder pflanzlicher Herkunft auftreten, durch selektiv bindende Adsorberelemente (20), die frei in der Flüssigkeit flottieren und nach einer vorgesehenen Inkubationszeit zusammen mit den Nukleinsäuren (18) von der Flüssigkeit getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorberelemente flächige, mikroporöse Membranstücke (20) einer Größe von 1 mm2 bis 10.000 cm2 verwendet werden, die auf ihrer inneren und äußeren Oberfläche zur Wechselwirkung mit den Nukleinsäuren befähigte Gruppen tragen.Process for the at least partial removal of nucleic acids (18) from a liquid (12), as occur in the digestion of microorganisms, such as bacteria, yeasts, fungi, protozoa or cell cultures of eukaryotic origin and of tissues of animal or vegetable origin, by selectively binding adsorber elements (20) which float freely in the liquid and are separated from the liquid together with the nucleic acids (18) after an intended incubation time, characterized in that the adsorber elements used are flat, microporous membrane pieces (20) of a size of 1 mm 2 to 10,000 cm 2 which carry groups capable of interacting with the nucleic acids on their inner and outer surfaces.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum wenigstens teilweisen Entfernen von Nukleinsäuren aus einer Flüssigkeit, wie sie beim Aufschluss von Mikroorganismen, wie Bakterien, Hefen, Pilzen, Protozoen oder von Zellkulturen eukaryontischer Herkunft und von Geweben tierischer oder pflanzlicher Herkunft auftreten, durch selektiv bindende Adsorberelemente, die frei in der Flüssigkeit flottieren und nach einer vorgesehenen Inkubationszeit zusammen mit den Nukleinsäuren von der Flüssigkeit getrennt werden.The invention relates to a method for the at least partial removal of nucleic acids from a liquid, as occur in the digestion of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, protozoa or cell cultures of eukaryotic origin and of tissues of animal or vegetable origin, by selectively binding adsorber elements which float freely in the fluid and are separated from the fluid along with the nucleic acids after an intended incubation period.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Adsorberelemente sowie auf die Verwendung von Membranadsorbermaterial-Abfällen zur Herstellung solcher Adsorberelemente.The invention further relates to a process for the preparation of such adsorber elements and to the use of membrane adsorbent waste for the production of such adsorber elements.
Zur Entfernung von Nukleinsäuren aus Flüssigkeiten sind Säulenverfahren bekannt, bei denen eine nukleinsäurehaltige Flüssigkeit über einen vielschichtigen Stapel aus Adsorberelementen in einem Gehäuse geschickt wird. Diese halten die Nukleinsäuren zurück und können nach dem Flüssigkeitsdurchlauf, d. h. nach der Inkubationszeit, aus dem Gehäuse entnommen und geeignet weiterbehandelt oder verworfen werden. Dieses bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass es mit einer Mehrzahl von Handhabungsschritten verbunden und daher aufwendig ist. Zudem können die Absorberelemente in dem Gehäuse verstopfen.For removal of nucleic acids from liquids, column methods are known in which a nucleic acid-containing liquid is passed through a multilayer stack of adsorbent elements in a housing. These retain the nucleic acids and, after fluid passage, i. H. after incubation, removed from the housing and appropriately treated or discarded. This known method has the disadvantage that it is associated with a plurality of handling steps and therefore expensive. In addition, the absorber elements can clog in the housing.
In der Filtriertechnik ist die Verwendung frei flottierender Filterhilfsstoffe bekannt. Die grundlegende Idee dabei ist es, spezielle Adsorberelemente, die mit einer in der Flüssigkeit vorhandenen Kontaminante binden, mit der Kontaminante in innigen Kontakt zu bringen, so dass eine feste Bindung der Kontaminante an die Adsorberelemente stattfinden kann. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden dann die mit der Kontaminante beladenen Hilfsstoffe von der Flüssigkeit getrennt. Die Kontaminante und/oder die gereinigte Flüssigkeit können dann weiteren, separaten Behandlungsschritten zugeführt werden.In the filtration technology, the use of free-floating filter aids is known. The basic idea here is to bring special adsorber elements, which bind with a contaminant present in the liquid, into close contact with the contaminant, so that a firm binding of the contaminant to the adsorber elements can take place. In a subsequent process step, the contaminants loaded with the contaminant are then separated from the liquid. The contaminant and / or the purified liquid can then be supplied to further, separate treatment steps.
In der
Die
Aus der
Ein ähnliches Verfahren, das magnetische Mikropartikel und Polymernanopartikel als frei flottierende Adsorptionselemente einsetzt, ist aus der
Weitere frei flottierende Filterhilfsmittel sind beispielsweise das unter dem Handelsnamen DEAE-Sephadex-Gel oder DEAE-Sepharose-Gel der Firma General Electric oder DEAE-Zellulose-Fasermaterial, die speziell zum Entfernen von DNA aus einer biologischen Flüssigkeit verwendet werden.Other free-floating filter aids are, for example, under the trade name DEAE Sephadex gel or DEAE Sepharose gel from General Electric or DEAE cellulose fiber material, which are used specifically for removing DNA from a biological fluid.
Andere Verfahren verwenden ausschließlich fixierte Filterhilfsstoffe. Aus der
Weiter sind nicht-partikuläre Membranfilter bekannt, durch die eine zu reinigende Flüssigkeit geleitet wird, wobei die Kontaminante mit der Filtermembran bindet. Allgemein kann von Membranadsorbern gesprochen werden, wobei darunter solche Membranen zu verstehen sind, die an ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen, Liganden oder Reaktanden tragen, die zur Wechselwirkung mit mindestens einem Stoff einer mit dem Membranadsorber in Kontakt stehenden flüssigen Phase befähigt sind. Der Transport der flüssigen Phase durch die Membran erfolgt dabei konvektiv. Die Bezeichnung Membranadsorber ist als Oberbegriff für verschiedene Arten von Membranadsorbern zu verstehen, wie etwa Membranionenaustauscher, Ligandenmembranen und aktivierte Membranen, die ihrerseits je nach den funktionellen Gruppen, Liganden und Reaktanden in unterschiedliche Membranadsorbertypen eingeteilt werden.Furthermore, non-particulate membrane filters are known, through which a liquid to be purified is passed, the contaminant binding with the filter membrane. Generally speaking, membrane adsorbers may be used, including those membranes which carry on their surface functional groups, ligands or reactants which are capable of interacting with at least one substance of a liquid phase in contact with the membrane adsorber. The transport of the liquid phase through the membrane takes place convectively. The term membrane adsorber is to be understood as a generic term for various types of membrane adsorbers, such as membrane ion exchangers, Ligand membranes and activated membranes, which in turn are divided into different Membranadsorbertypen depending on the functional groups, ligands and reactants.
Aus der
Die
Die
Die
Aus Rodney J. Y. Ho und Milo Gibaldi, Biotechnology and Biopharmaceuticals, Transforming Proteins and Genes into Drugs, John Wiley & Sons, 2003, Seite 72 ist es bekannt, Zellmembranen von Zellen, die zum Zweck der Extraktion eines erwünschten Stoffes zerstört wurden, aus einem Medium zu entfernen, in dem das Medium über Membranfilter definierter Porengröße geleitet wird. Dies kann im Durchfluss- oder im Überstromverfahren erfolgen. Der Begriff des Membranfilters umfasst hier auch fixierte Hohlfasersysteme und Membransysteme mit Präzisionsporengröße.From Rodney JY Ho and Milo Gibaldi, Biotechnology and Biopharmaceuticals, Transforming Proteins and Genes into Drugs, John Wiley & Sons, 2003, page 72, it is known to remove cell membranes from cells which have been destroyed for the purpose of extracting a desired substance from a medium in which the medium is passed through membrane filter of defined pore size. This can be done by flow or overflow. The term membrane filter here also includes fixed hollow fiber systems and membrane systems with precision pore size.
In Gaey Walsh, Proteins Biochemistry and Biotechnology, John Wiley & Sons, 2002, Seiten 110–112 werden verschiedene Konzentrationsverfahren erläutert, darunter Konzentration durch Ionenaustausch und Konzentration durch Ultrafiltration mittels Membranfiltern.In Gaey Walsh, Proteins Biochemistry and Biotechnology, John Wiley & Sons, 2002, pages 110-112 various concentration methods are explained, including concentration by ion exchange and concentration by ultrafiltration using membrane filters.
In „Commercial Production of Monoclonal Antibodies, A Guide for Scale-Up”, herausgegeben von Sally S. Seaver, Decker-Verlag, New York 1987, Seiten 304–309 wird ein Verfahren zur Gewinnung monoklonaler Antikörper offenbart, bei dem eine Aufreinigung mittels Säulen mit partikulärer Matrix erfolgt.In "Commercial Production of Monoclonal Antibodies, A Guide for Scale-Up," edited by Sally S. Seaver, Decker Publishing, New York 1987, pp. 304-309, there is disclosed a method for obtaining monoclonal antibodies, wherein column purification done with particulate matrix.
Alle vorgenannten Verfahren mit partikulären Filterhilfsstoffen haben den Nachteil, dass sie nach Beladung mit der Kontaminante nur schwer aus der Flüssigkeit entfernt werden können. Üblicherweise erfolgt dies durch Filtration durch geeignete Filtermedien, vorzugsweise Schichtenfilter, oder durch Zentrifugation. Dies ist sehr aufwendig und hat überdies den weiteren Nachteil, dass partikuläre, d. h. körnige oder faserige Filterhilfsstoffen sehr scherkraftanfällig sind und daher dazu neigen, in noch kleinere Partikel zu zerbrechen. Diese sind dann umso schwerer aus der zu reinigenden Flüssigkeit zu entfernen.All the above-mentioned processes with particulate filter aids have the disadvantage that they are difficult to remove from the liquid after loading with the contaminant. This is usually done by filtration through suitable filter media, preferably layer filters, or by centrifugation. This is very expensive and has the further disadvantage that particulate, d. H. granular or fibrous filter aids are very susceptible to shear and therefore tend to break into even smaller particles. These are all the more difficult to remove from the liquid to be cleaned.
Aus der
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Verfahren zum Entfernen von Nukleinsäuren aus Flüssigkeiten derart weiterzubilden, dass ein unkomplizierter Einsatz unter industriellen Bedingungen möglich wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges Herstellungsverfahren für derartige Adsorberelemente zu Verfügung zu stellen. It is the object of the present invention to develop the known methods for removing nucleic acids from liquids in such a way that an uncomplicated use under industrial conditions becomes possible. It is a further object of the invention to provide a low cost manufacturing process for such adsorber elements.
Die erstgenannte Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass als Adsorberelemente flächige mikroporöse Membranstücke einer Größe von 1 mm2 bis 10.000 cm2 verwendet werden, die auf ihrer inneren und äußeren Oberfläche zur Wechselwirkung mit den Nukleinsäuren befähigte Gruppen tragen.The former object is achieved in conjunction with the preamble of claim 1, characterized in that as adsorber elements areal microporous membrane pieces of a size of 1 mm 2 to 10,000 cm 2 are used, which carry on its inner and outer surfaces capable of interacting with the nucleic acids groups.
Erfindungsgemäß lassen sich Nukleinsäuren, wie oligo- und polymere Desoxyribonukleinsäure und/oder Ribonukleinsäure aus Lösungen und Suspensionen entfernen, welche beim Aufschluss von Mikroorganismen wie Bakterien, Hefen, Pilzen, Protozoen und Zellkulturen eukaryontischer Herkunft und Geweben tierischer und pflanzlicher Herkunft auftreten. Dazu werden flächige Adsorberelemente verwendet, die aus mikroporösen Membranen bestehen, welche auf ihrer inneren und äußeren Oberfläche zur reversiblen oder irreversiblen Wechselwirkung mit den Nukleinsäuren befähigte Gruppen tragen. Bevorzugt werden stark oder schwache basische Ionenaustauschergruppen verwendet. Besonders bevorzugt werden solche vom Typ der sekundären Amine oder der quarternären Ammoniumverbindungen benutzt.According to the invention, nucleic acids, such as oligomeric and polymeric deoxyribonucleic acid and / or ribonucleic acid, can be removed from solutions and suspensions which occur during the digestion of microorganisms such as bacteria, yeasts, fungi, protozoa and cell cultures of eukaryotic origin and tissues of animal and plant origin. For this purpose, surface adsorber elements are used which consist of microporous membranes which carry groups capable of reversible or irreversible interaction with the nucleic acids on their inner and outer surfaces. Preferably, strong or weak basic ion exchange groups are used. Especially preferred are those of the secondary amine or quaternary ammonium type.
Ein Vorteil besteht darin, dass die Lösungen oder Suspensionen ohne jegliche Vorbehandlungen direkt mit den Adsorberelementen in Kontakt gebracht werden können.One advantage is that the solutions or suspensions can be brought into direct contact with the adsorber elements without any pretreatments.
Während es zur Abtrennung anderer Kontaminanten, wie Endotoxine, Proteine oder Farbstoffe brauchbare effektive Lösungen gibt, existieren solche für die Entfernung von Nukleinsäuren nicht. So lassen sich Endotoxine durch Filtration, Proteine durch Fällung oder Ionenaustausch und Farbstoffe adsorptiv entfernen. Bisher lassen sich Nukleinsäuren nur zeitaufwendig über Filtersäulen isolieren oder mittels Ultrazentrifugen im analytischen Maßstab abzentrifugieren. Bei der Fällung von Nukleinsäuren mit Alkoholen würden auch die in der Flüssigkeit vorhandenen Proteine denaturieren, die dann nicht mehr in reiner Form gewonnen werden könnten.While there are useful effective solutions for the removal of other contaminants, such as endotoxins, proteins or dyes, there are no such for the removal of nucleic acids. Thus, endotoxins can be removed by filtration, proteins by precipitation or ion exchange and dyes adsorptively. So far, nucleic acids can be isolated only time consuming filter columns or centrifuged by ultracentrifuges on an analytical scale. The precipitation of nucleic acids with alcohols would also denature the proteins present in the fluid, which could then no longer be recovered in pure form.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die erfindungsgemäß behandelte Flüssigkeit oder Suspension direkt auf weiterverarbeitende Filtermodule, einschließlich Adsorbermodule gegeben werden kann, ohne Gefahr der Verstopfung der Module durch die oft fadenförmig vorliegenden Nukleinsäuren.A further advantage of the method according to the invention is that the liquid or suspension treated according to the invention can be added directly to further processing filter modules, including adsorber modules, without the risk of blockage of the modules by the often threadlike present nucleic acids.
Weiter wird auf jede Art von Stabilisierungsrahmen oder Gehäuse verzichtet. Vielmehr werden die flexiblen Eigenschaften von Membranadsorbern ausgenutzt. Die Membranstücke folgen nicht nur in ihrer Bewegungsrichtung den Strömungen in einer Flüssigkeit, wie sie beispielsweise durch Rührwerke verursacht werden, sondern passen sich auch in ihrer Form den lokalen Gegebenheiten flexibel an. Bei ihrer Bewegung kontaktieren sie so im Laufe der Zeit ein größeres Flüssigkeitsvolumen als starre Adsorberkörper, so dass die Reinigung der Flüssigkeit effizienter verläuft. Bei Kollisionen mit Behälterwänden, Rührwerken oder dergleichen sind keine Schäden zu befürchten.Furthermore, any type of stabilization frame or housing is dispensed with. Rather, the flexible properties of membrane adsorbers are exploited. The membrane pieces not only follow in their direction of movement the flows in a liquid, as caused for example by agitators, but also adapt in shape to the local conditions flexible. As they move, they will, over time, contact a larger volume of fluid than rigid adsorbent bodies, making the cleaning of the fluid more efficient. In collisions with container walls, agitators or the like, no damage is to be feared.
Die oben zweitgenannte Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 8 bzw. Anspruch 13 gelöst. Danach ist vorgesehen, als Ausgangsmaterial für die erfindungsgemäßen Adsorberelemente Membranadsorbermaterial-Verschnitt einer Größe von 1 mm2 bis 10.000 cm2 aus der Herstellung großflächiger Membranadsorber in Form von Flachmembranen zu verwenden. Bei der Herstellung solcher Adsorber in Form von Flachmembranen wird üblicherweise Rollenmaterial verwendet. Der Verschnitt muss in der Regel teuer entsorgt werden. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, den Verschnitt geeignet, nämlich zu einer Größe von 1 mm2 bis 10.000 cm2 zu zerkleinern.The above second object is achieved by the features of claim 8 and claim 13. Thereafter, it is envisaged to use as the starting material for the adsorber elements according to the invention Membranadsorbermaterial blend a size of 1 mm 2 to 10,000 cm 2 from the production of large-area Membranadsorber in the form of flat membranes. In the production of such adsorbents in the form of flat membranes usually roll material is used. The waste usually has to be disposed of expensively. According to the invention, it is therefore provided that the waste is suitable, namely to be comminuted to a size of 1 mm 2 to 10,000 cm 2 .
Als besonders günstig haben sich Membranstücke einer Größe von 10 mm2 bis 100 cm2 und besonders bevorzugt einer Größe von etwa 100 mm2 erwiesen. Die spezielle der Größe ist vom Fachmann in Ansehung der speziellen Anwendung, insbesondere auch der Behältergrößen vorzunehmen.Membrane pieces of a size of 10 mm 2 to 100 cm 2 and particularly preferably a size of approximately 100 mm 2 have proved to be particularly favorable. The special of the size is to be made by the expert in view of the specific application, in particular also the container sizes.
Entsprechend stellt die Verwendung derartigen zerkleinerten Abfalls aus der Membranadsorberherstellung für das erfindungsgemäße Verfahren eine eigenständige Erfindung dar, die nicht nur eine besonders kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Membranstücke gewährleistet, sondern zudem die Herstellung der großflächigen Adsorber aufgrund der Reduzierung der Entsorgungskosten deutlich verbilligt.Accordingly, the use of such shredded waste from the Membranadsorberherstellung for the process according to the invention is an independent invention, which not only ensures a particularly cost-effective production of the membrane pieces according to the invention, but also significantly cheaper the production of large adsorber due to the reduction of disposal costs.
Vorzugsweise sind die Membranstücke aus einem porösen Membranadsorbermaterial hergestellt. Hierdurch wird die Kontaminante nämlich (auch) im Inneren der Membranen gebunden, so dass ein mechanischer Schutz gegen Abrieb bei Kollision mit Rührwerken, Behälterwänden oder anderen Membranstücken gewährleistet ist. Zudem vergrößert sich hierdurch die adsorbierende Oberfläche, was zu einer größeren Effizienz des Verfahrens führt. Insbesondere bei der Anwendung zur Entfernung von DNA aus einer Flüssigkeit ist es aufgrund des polyelektrolytischen, stark ionischen Charakters von DNA günstig, wenn die Membranstücke einen basischen Charakter haben. Preferably, the membrane pieces are made of a porous membrane adsorbent material. As a result, the contaminant is (also) bound inside the membranes, so that a mechanical protection against abrasion in collision with agitators, container walls or other membrane pieces is guaranteed. In addition, this increases the adsorbing surface, which leads to greater efficiency of the process. In particular, in the application for the removal of DNA from a liquid, it is favorable due to the polyelectrolytic, highly ionic character of DNA, when the membrane pieces have a basic character.
Bevorzugt werden Membranmaterialien verwendet, die zu solchen Membranstücken führen, die im flottierenden Zustand eine der Dichte der Flüssigkeit ähnliche Dichte aufweisen. Dies bedeutet, dass die Membranstücke in der Flüssigkeit schweben und weder absinken noch aufschwimmen, so dass eine effiziente Reinigung in allen Schichttiefen der Flüssigkeit erfolgen kann.Preference is given to using membrane materials which lead to membrane pieces which, in the floating state, have a density similar to the density of the liquid. This means that the membrane pieces float in the liquid and neither sink nor float, so that an efficient cleaning can take place in all layer depths of the liquid.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung sowie den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following, specific description and the drawings.
Es zeigen:Show it:
Der Verschnitt
Wie aus der Tabelle und
Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung und Figuren dargestellten Ausführungs- und Anwendungsbeispiele nur exemplarische Anwendungs- und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar, die keinesfalls beschränkend auszulegen sind. Insbesondere steht die Erfindung dem Einsatz bei anderen biologischen oder nichtbiologischen Anwendungen offen. Auch ist die spezielle Wahl des Adsorbermaterials auf die konkrete Anwendung abzustimmen.Of course, the embodiments and examples illustrated in the specific description and drawings represent only exemplary applications and embodiments of the present invention, which should by no means be construed in a limiting sense. In particular, the invention is open to use in other biological or nonbiological applications. Also, the specific choice of the adsorbent material to vote on the specific application.
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