DE10237517B4 - Process for the enrichment or depletion of biomolecules from liquid or fluid media using layered double hydroxides and use of biomolecules attached or embedded in a layered double hydroxide as an inorganic vector - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Entfernung oder Gewinnung bzw. Aufreinigung von mindestens einem Biomolekül, welches als Bausteine Nukleotide, Nukleoside, Aminosäuren, Monosaccharide und/oder Fettsäuren enthält, aus einem flüssigen oder fluiden Medium mit Hilfe eines Schichtdoppelhydroxids, ausgewählt aus der Gruppe der natürlichen und synthetischen Hydrotalcite sowie der Hydrotalcitähnlichen Verbindungen, wobei mehr als 50% des Gesamtporenvolumens der Poren des Schichtdoppelhydroxids zwischen 1,7 und 300 nm durch Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm gebildet werden, umfassend die folgenden Schritte: a. in Kontakt bringen des flüssigen oder fluiden Mediums enthaltend das mindestens eine Biomolekül, mit dem Schichtdoppelhydroxid, wobei das Schichtdoppelhydroxid in calcinierter und trockener Form eingesetzt wird, b. Ermöglichen der An- bzw. Einlagerung des mindestens einen Biomoleküls an bzw. in das Schichtdoppelhydroxid, c. Abtrennen des an- bzw. eingelagerten Biomoleküls mit dem Schichtdoppelhydroxid.Process for removing or obtaining or purifying at least one biomolecule, which contains nucleotides, nucleosides, amino acids, monosaccharides and / or fatty acids as building blocks, from a liquid or fluid medium with the aid of a layered double hydroxide, selected from the group of natural and synthetic hydrotalcites and the hydrotalcite-like compounds, wherein more than 50% of the total pore volume of the pores of the layered double hydroxide between 1.7 and 300 nm are formed by pores with a diameter of less than 20 nm, comprising the following steps: a. bringing the liquid or fluid medium containing the at least one biomolecule into contact with the layered double hydroxide, the layered double hydroxide being used in calcined and dry form, b. Enabling the attachment or incorporation of the at least one biomolecule onto or into the layered double hydroxide, c. Separating the attached or embedded biomolecule with the layered double hydroxide.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung oder Gewinnung bzw. Aufreinigung von mindestens einem Biomolekül, welches als Bausteine Nukleotide, Nukleoside, Aminosäuren, Monosaccharide und/oder Fettsäuren enthält, aus einem flüssigen oder fluiden Medium mit Hilfe eines Schichtdoppelhydroxids, sowie die Verwendung eines mit dem Verfahren in das Schichtdoppelhydroxid an- bzw. eingelagerten Biomoleküls als anorganischer Vektor zur Einbringung des Biomoleküls in Zellen, oder als pharmazeutische Zusammensetzung.The present invention relates to a process for the removal or recovery or purification of at least one biomolecule containing as building blocks nucleotides, nucleosides, amino acids, monosaccharides and / or fatty acids from a liquid or fluid medium with the aid of a layered double hydroxide, and the use of a the biomolecule incorporated or incorporated into the layered double hydroxide as an inorganic vector for introducing the biomolecule into cells, or as a pharmaceutical composition.
Aus dem Stand der Technik ist die Verwendung bestimmter Schichtdoppelhydroxide als Anionenaustauscher bzw. -adsorbens bekannt.The use of certain layered double hydroxides as anion exchangers or adsorbents is known from the prior art.
So beschreibt beispielsweise die
Die
Die
In ähnlicher Weise beschreibt die
Die Interkalation von Aminosäuren und Zucker in Schichtdoppelhydroxide ist beispielsweise in Aisawa und Narita, Zeoraito (2000) 17, Seiten 101–107, beschrieben.The intercalation of amino acids and sugars in layered double hydroxides is described for example in Aisawa and Narita, Zeoraito (2000) 17, pages 101-107.
In der
In der
In der
Mit der Verwendung von Schichtdoppelhydroxiden bzw. Hydrotalciten und Hydrotalcit-ähnlichen Strukturen zur Absorption bestimmter Anionen beschäftigen sich weiterhin Ulibarri et al., Applied Clay Science 18 (2001), Seiten 17–27, Parker et al., Ind. Eng. Chem. Res. 34 (1995), Seiten 1196–1202, Pavan et al., Journal of Colloid and Interface Science 229 (2000), Seiten 346–352, sowie die
Die gemäss Stand der Technik als Anionenadsorptionsmittel verwendeten Schichtdoppelhydroxide sind jedoch insbesondere zur stabilen und reversiblen An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen, z. B. zur An- bzw. Abreicherung von Biomolekülen aus flüssigen oder fluiden Medien, nicht ausreichend geeignet. So besteht ein ständiger Bedarf an verbesserten Materialien auf diesem Gebiet. However, the layer double hydroxides used according to the prior art as Anionenadsorptionsmittel are especially for the stable and reversible on or storage of biomolecules, eg. B. for attachment or depletion of biomolecules from liquid or fluid media, not sufficiently suitable. Thus, there is a constant need for improved materials in this field.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren zur Entfernung oder Gewinnung bzw. Aufreinigung von mindestens einem Biomolekül aus einem flüssigen oder fluiden Medium mit Hilfe eines Schichtdoppelhydroxids bereitzustellen, das eine besonders effiziente An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen, insbesondere zur An- bzw. Abreicherung von Biomolekülen aus flüssigen oder fluiden Medien, ermöglicht. Dabei sollen die Nachteile des Standes der Technik vermieden und eine besonders wirkungsvolle Interaktion zwischen dem Schichtdoppelhydroxid und den Biomolekülen je nach Art der Verwendung sichergestellt werden.The object of the invention was therefore to provide a process for the removal or recovery or purification of at least one biomolecule from a liquid or fluid medium with the aid of a layered double hydroxide, which is a particularly efficient accumulation or incorporation of biomolecules, in particular for on or Depletion of biomolecules from liquid or fluid media allows. The disadvantages of the prior art should be avoided and a particularly effective interaction between the layered double hydroxide and the biomolecules should be ensured depending on the type of use.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.This object is achieved by the method according to claim 1. Preferred embodiments can be found in the dependent claims.
Erfindungsgemäss wird dabei ein Schichtdoppelhydroxid, ausgewählt aus der Gruppe der natürlichen und der synthetischen Hydrotalcite und der Hydrotalcit-ähnlichen Verbindungen verwendet, wie sie beispielsweise in der Literaturstelle Catalysis today, Vol. 11 (2) vom 2. Dezember 1991, Seiten 173 bis 301, beschrieben sind (”hydrotacite-like compounds). Solche Verbindungen weisen eine Hydrotalcitähnliche Struktur auf.According to the invention, a layered double hydroxide selected from the group of natural and synthetic hydrotalcites and hydrotalcite-like compounds is used, as described, for example, in the Catalysis today reference, Vol. 11 (2) of 2 December 1991, pages 173 to 301, are described ("hydrotacite-like compounds). Such compounds have a hydrotalcite-like structure.
Zur Herstellung der Hydrotalcite kann dabei grundsätzlich jedes dem Fachmann geläufige Verfahren eingesetzt werden, wie es beispielsweise in der vorstehenden Literaturstelle Catalysis today (a. a. O.) auf den Seiten 173 bis 301, insbesondere 201 bis 212, in der
Besonders bevorzugt wird dabei ein Schichtdoppelhydroxid (LDH) der allgemeinen Summenformel
Allgemein kann jedes für Schichtdoppelhydroxide geeignete und dem Fachmann geläufige zweiwertige Metallion oder eine Kombination aus zwei oder mehr solcher Metallionen als M2+ verwendet werden. Insbesondere stellt M2+ ein oder mehrere aus der Gruppe von Mg2+ , Ca2+, Zn2+, Mn2+, Co2+, Ni2+, Fe2+, Sr2+, Ba2+ und/oder Cu2+ dar.In general, any divalent metal ion suitable for layered double hydroxides and familiar to those skilled in the art or a combination of two or more such metal ions may be used as M 2+ . In particular, M 2+ represents one or more of Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , Mn 2+ , Co 2+ , Ni 2+ , Fe 2+ , Sr 2+ , Ba 2+ and / or Cu 2+
Allgemein kann jedes für Schichtdoppelhydroxide geeignete und dem Fachmann geläufige dreiwertige Kation oder eine Kombination aus zwei oder mehr solcher Kationen als N3+ verwendet werden. Insbesondere stellt N3+ ein oder mehrere aus der Gruppe von Al3+, Mn3+, Co3+, Ni3+, Cr3+, Fe3+, Ga3+ Sc3+, B3+ und/oder dreiwertige Kationen von Seltenerdenmetallen dar.In general, any trivalent cation suitable for layered double hydroxides and familiar to those skilled in the art or a combination of two or more such cations may be used as N 3+ . In particular, N 3+ represents one or more of Al 3+ , Mn 3+ , Co 3+ , Ni 3+ , Cr 3+ , Fe 3+ , Ga 3+ Sc 3+ , B 3+ and / or trivalent Cations of rare earth metals.
Nach einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist M2+ Magnesium und N3+ Aluminium. Es können erfindungsgemäß auch solche Doppelschichthydroxide (LDHs) verwendet werden, die auch einwertige Kationen, wie z. B. Li+, enthalten, die die zweiwertigen Kationen teilweise oder ganz ersetzen können. Somit sind auch Schichtdoppelhydroxide mit einwertigen Kationen von der vorliegenden Erfindung erfasst, insbesondere diejenigen mit der nachstehenden allgemeinen Summenformel:
Das Anion An– ist, in der nicht calcinierten Form des Schichtdoppelhydroxids, ausgewählt aus Carbonat, Nitrat, Halogenid, Sulfat, Phosphat und/oder Arsenat. Besonders bevorzugt ist das Anion An– in der nicht calcinierten Form Carbonat.The anion A n- is, in the uncalcined form of the layered double hydroxide, selected from carbonate, nitrate, halide, sulfate, phosphate and / or arsenate. Particularly preferred is the anion A n- in the uncalcined form carbonate.
Nach einer besonders vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das Schichtdoppelhydroxid ein Hydrotalcit dessen allgemeine Summenformel zwischen [Mg2Al(OH)6](CO3)0,5 und [Mg2,5Al(OH)7](CO3)0,5 liegt und insbesondere der Summenformel [Mg2,2Al(OH)6,4](CO3)0,5 genügt. Mit diesen Hydrotalciten wurden besonders vorteilhafte Sorptionsmittel für Biomoleküle erhalten.According to a particularly advantageous embodiment of the invention, the layered double hydroxide is a hydrotalcite whose general empirical formula is between [Mg 2 Al (OH) 6 ] (CO 3 ) 0.5 and [Mg 2.5 Al (OH) 7 ] (CO 3 ) is 0.5 and in particular the molecular formula [Mg 2.2 Al (OH) 6.4 ] (CO 3 ) 0.5 is sufficient. With these hydrotalcites, particularly advantageous sorbents for biomolecules were obtained.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde überraschend gefunden, dass eine besonders vorteilhafte An- bzw. Einlagerung des Biomoleküls erfolgt, wenn das Schichtdoppelhydroxid in calcinierter Form eingesetzt wird. Dabei wird bevorzugt die Fähigkeit der Schichtdoppelhydroxide genutzt, die durch den Prozess der Calcinierung zerstörte Brucit-ähnliche Struktur (Doppelschichtstruktur) erneut auszubilden. Geschieht dies in einer Lösung, werden die darin enthaltenen Anionen eingebaut. Diese Fähigkeit wird allgemein als ”memory-effect” bezeichnet. Es wurde überraschend gefunden, dass die Verwendung von calcinierten Schichtdoppelhydroxiden zu einer besonders wirkungsvollen An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen führt.In the context of the present invention, it has surprisingly been found that a particularly advantageous attachment or incorporation of the biomolecule takes place when the layered double hydroxide is used in calcined form. In this case, the ability of the layered double hydroxides to regenerate the brucite-like structure (double layer structure) destroyed by the process of calcination is preferably used. If this happens in a solution, the anions contained in it are incorporated. This ability is commonly referred to as a "memory effect". It has surprisingly been found that the use of calcined layered double hydroxides leads to a particularly effective accumulation or incorporation of biomolecules.
Die zur Calcinierung von Schichtdoppelhdroxiden verwendeten Calcinierungsbedingungen sind dem Fachmann geläufig. Allgemein kann die Calcinierung in einem Ofen bei 350 bis 650 Grad Celsius über einen Zeitraum von 0,5 bis 15 Stunden erfolgen. Bevorzugt findet die Calcinierung bei 450 bis 600 Grad Celsius über einen Zeitraum von 0,5 bis 5 Stunden statt.The calcination conditions used for the calcination of layered double hydroxides are familiar to the person skilled in the art. Generally, the calcination can be done in an oven at 350 to 650 degrees Celsius over a period of 0.5 to 15 hours. Preferably, the calcination takes place at 450 to 600 degrees Celsius over a period of 0.5 to 5 hours.
Erfindungsgemäß wird das calcinierte Schichtdoppelhydroxid in trockener Form mit dem das bzw. die Biomolekül (e) enthaltenden flüssigen oder fluiden Medium in Kontakt gebracht, so dass vorzugsweise während der Rekonstituierung der Doppelschichtstruktur die in dem flüssigen bzw. fluiden Medium enthaltenen Biomoleküle an das Schichtdoppelhydroxid gebunden bzw. darin eingelagert und/oder davon umhüllt werden. Ohne auf diesen theoretischen Mechanismus beschränkt zu sein, wird vermutet, dass während der Rekonstituierung der Doppelschichtstruktur neben einer Interkalation in die Schichtzwischenräume auch eine Adsorption der negativ geladenen Biomoleküle an der positiv geladenen Oberfläche des regenerierten Schichtdoppelhydroxids und eine (teilweise) Umhüllung der Biomoleküle stattfindet. Die neu entstehende Doppelschichtstruktur wird dabei durch die Anwesenheit der polyanionischen Biomoleküle in der gewünschten Weise, d. h. zu Gunsten einer schonenden und wirkungsvollen An- bzw. Einlagerung, beeinflusst.According to the invention, the calcined layered double hydroxide in dry form is brought into contact with the liquid or fluid medium containing the biomolecule (s), so that preferably during the reconstitution of the bilayer structure, the biomolecules contained in the liquid or fluid medium are bound to the layered double hydroxide embedded therein and / or enveloped in it. Without being limited to this theoretical mechanism, it is believed that during the reconstitution of the bilayer structure in addition to an intercalation in the interlayer spaces also an adsorption of the negatively charged biomolecules on the positively charged surface of the regenerated layered double hydroxide and a (partial) enveloping the biomolecules takes place. The newly formed bilayer structure is characterized by the presence of polyanionic biomolecules in the desired manner, d. H. in favor of a gentle and effective storage or storage, influenced.
Zusammenfassend wurde gefunden, dass es bei der Verwendung von calcinierten Doppelschichthydroxiden in trockener Form als Sorptionsmittel zu einer besonders schonenden und gleichzeitig effizienten An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen an bzw. in das Schichtdoppelhydroxid kommt, wobei auch von einer zumindest teilweisen Umhüllung der Biomoleküle durch das (rekonstituierte) Doppelschichthydroxid ausgegangen wird.In summary, it has been found that the use of calcined double layer hydroxides in dry form as sorbents leads to a particularly gentle and at the same time efficient attachment or incorporation of biomolecules to or into the layered double hydroxide, whereby at least partial envelopment of the biomolecules by the (Reconstituted) bilayer hydroxide is assumed.
Besonders bevorzugt wird erfindungsgemäß ein Schichtdoppelhydroxid verwendet, das vor der Calcinierung in der Carbonatform vorlag, da hierdurch der ”memory-effect” begünstigt wird.According to the invention, it is particularly preferable to use a layered double hydroxide which was present in the carbonate form before the calcination, since this favors the "memory effect".
Erfindungsgemäß wurde weiterhin gefunden, dass eine besonders effiziente und zugleich schonende An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen erzielt wird, wenn bei dem in calcinierter Form eingesetzten Schichtdoppelhydroxid mehr als 50% des Gesamtporenvolumens der Poren zwischen 1,7 und 300 nm, durch Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm gebildet werden. Diese Werte werden wie nachstehend angegeben bestimmt.According to the invention, it has furthermore been found that a particularly efficient and at the same time gentle accumulation or incorporation of biomolecules is achieved if more than 50% of the total pore volume of the pores is between 1.7 and 300 nm, through pores with a layer double hydroxide used in calcined form Diameter of less than 20 nm are formed. These values are determined as indicated below.
Es wird vermutet, ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre, dass bei Einhaltung dieser Porenvolumenverteilung die Rekonstiuierung der Doppelschichtstruktur im Hinblick auf die parallel verlaufende oder anschließende An- und Einlagerung der Biomoleküle in dem flüssigem bzw. fluidem Medium begünstigt wird. Diese Vermutung wird dadurch bestätigt, dass bei deutlich geringerem Anteil der Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm bzw. einem entsprechend höheren Anteil der größeren Meso- und Makroporen, in die auch (größere) Biomoleküle eingelagert werden könnten, die vorteilhafte An- bzw. Einlagerung der Biomoleküle bei gleicher Größe der Doppelschichthydroxidteilchen zumindest teilweise verloren zu gehen scheint.It is assumed, without the invention being restricted thereto, that the reconstitution of the double-layer structure is favored with respect to the parallel or subsequent accumulation and incorporation of the biomolecules in the liquid or fluid medium while maintaining this pore volume distribution. This assumption is confirmed by the fact that, with a significantly smaller proportion of the pores having a diameter of less than 20 nm or a correspondingly higher proportion of the larger meso- and macropores in which (larger) biomolecules could be incorporated, the advantageous on or Incorporation of the biomolecules at the same size of Doppelschichthydroxidteilchen seems to be at least partially lost.
Als besonders günstig hat sich erwiesen, wenn mehr als 75% des Gesamtporenvolumens der Poren zwischen 1,7 und 300 nm durch Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm, insbesondere von weniger als 10 nm gebildet werden.It has proved particularly favorable if more than 75% of the total pore volume of the pores between 1.7 and 300 nm are formed by pores having a diameter of less than 20 nm, in particular less than 10 nm.
Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt bei dem verwendeten calcinierten Schichtdoppelhydroxid die Fläche der Mikroporen (bis 200 nm Durchmesser) mindestens 50 m2/g, insbesondere mindestens 60 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 70 m2/g. Es wird angenommen, ohne dass die Erfindung auf diesen theoretischen Mechanismus beschränkt ist, dass sich die Biomoleküle besonders bevorzugt im Bereich der Mikroporen aufhalten. LDH-Oberflächen in den vorstehenden Größenordnungen werden auf struktureller Ebene durch eine stark variable Oberflächen-Topologie in den Mikroporen bedingt. Dadurch erhöht sich auch die statistische Wahrscheinlichkeit, dass das Biomolekül im Bereich der Mikroporen besonders stark mit dem Schichtdoppelhydroxid in Wechselwirkung tritt.According to a further preferred embodiment of the invention, in the case of the calcined layered double hydroxide used, the area of the micropores (up to 200 nm in diameter) is at least 50 m 2 / g, in particular at least 60 m 2 / g, particularly preferably at least 70 m 2 / g. It is believed, without the invention being limited to this theoretical mechanism, that the biomolecules particularly preferably reside in the area of the micropores. Structurally, LDH surfaces of the order of magnitude above are due to a highly variable surface topology in the micropores. This also increases the statistical probability that the biomolecule in the region of the micropores interacts particularly strongly with the layered double hydroxide.
Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform beträgt der Anteil der Mikroporen bis 200 nm an der Gesamtoberfläche des Schichtdoppelhydroxids mindestens 50%, vorzugsweise mehr als 60%, insbesondere mehr als 70%. Eine mögliche Erklärung, warum mit solchen Schichtdoppelhydroxiden besonders gute Ergebnisse erzielt wurden, liefert die vorstehende Modellvorstellung, da die Wahrscheinlichkeit der Wechselwirkung zwischen Biomolekülen und den Mikroporen direkt mit deren Anteil an der Gesamtoberfläche korreliert ist.According to a further preferred embodiment of the invention, the proportion of micropores up to 200 nm on the total surface of the layered double hydroxide is at least 50%, preferably more than 60%, in particular more than 70%. A possible explanation for why particularly good results were obtained with such layered double hydroxides is provided by the above model concept, since the probability of the interaction between biomolecules and the micropores is directly correlated with their share of the total surface area.
Es wurde gefunden, dass sich insbesondere größere bzw. langkettige Biomoleküle erfindungsgemäß besonders schonend und effizient an- bzw. einlagern oder umhüllen (”verpacken”) lassen. Es wird angenommen, dass bei der parallel zur Rekonstituierung des Doppelschichthydroxid verlaufenden oder daran anschließenden An- und Einlagerung bzw. Umhüllung der Biomoleküle in dem flüssigem bzw. fluidem Medium eine besonders gute ”Verpackung” der Biomoleküle erfolgt, so dass diese besser gegen die die bei der weiteren Verarbeitung des die Biomoleküle enthaltenen flüssigen bzw. fluiden Mediums unvermeidlich auftretenden Scherkräfte und mögliche Exposition von Molekülteilbereichen gegenüber enzymatischen Spaltungen besser geschützt sind.It has been found that, in particular, larger or long-chain biomolecules according to the invention can be deposited or encased or enveloped ("packaged") in a particularly gentle and efficient manner. It is assumed that in the parallel to the reconstitution of Doppelschichthydroxid extending or subsequent accumulation or storage or envelopment of the biomolecules in the liquid or fluid medium, a particularly good "packaging" of biomolecules takes place, so that they better against those at the further processing of the fluid or fluid inevitable occurring in the biomolecules inevitably occurring shear forces and possible exposure of partial moieties are better protected against enzymatic cleavages.
Nach einer besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt die mittlere Teilchengröße (D50) der LDHs zwischen 0,3 und 1,5 µm, insbesondere zwischen 0,5 und 1,0 µm. Die D10-Werte der Teilchengröße liegen bevorzugt zwischen 0,1 und 1,0 µm, insbesondere zwischen 0,15 und 0,5 µm. Die D90-Werte der Teilchengröße liegen bevorzugt zwischen 0,5 und 4,0 µm, insbesondere zwischen 1,0 und 3,0 μm. Bei Einhaltung dieser Teilchengrößen zusammen mit der vorstehenden Porosimetrie ergeben sich überraschend besonders vorteilhafte Bindungseigenschaften für Biomoleküle, insbesondere größere Biomoleküle.According to a particularly preferred embodiment of the invention, the average particle size (D50) of the LDHs is between 0.3 and 1.5 μm, in particular between 0.5 and 1.0 μm. The D10 values of the particle size are preferably between 0.1 and 1.0 μm, in particular between 0.15 and 0.5 μm. The D90 values of the particle size are preferably between 0.5 and 4.0 μm, in particular between 1.0 and 3.0 μm. Adhering to these particle sizes together with the above porosimetry surprisingly results in particularly advantageous binding properties for biomolecules, in particular larger biomolecules.
Nach einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist das calcinierte Schichtdoppelhydroxid eine BET-Oberfläche (bestimmt nach DIN 66131) von mindestens 50 m2/g, insbesondere mindestens 100 m2/g, besonders bevorzugt von mindestens 150 m2/g, auf. Durch die hohe Oberfläche wird offenbar die Rekonstitution bzw. die vorteilhafte An- und Einlagerung der Biomoleküle begünstigt.According to a further preferred embodiment of the invention, the calcined layered double hydroxide has a BET surface area (determined to DIN 66131) of at least 50 m 2 / g, in particular at least 100 m 2 / g, particularly preferably at least 150 m 2 / g. The high surface apparently promotes reconstitution or the advantageous accumulation and storage of the biomolecules.
Unter Biomolekül wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Molekül verstanden, das als Bausteine Nukleotide bzw. Nukleoside (Nukleobasen), Aminosäuren, Monosaccharide und/oder Fettsäuren aufweist. Zu dieser Gruppe zählen somit die Mono-, Oligo- und Polymere aus diesen Bausteinen, insbesondere die Oligonukleotide und Nukleinsäuren, Oligopeptide und Proteine, Oligo- und Polysaccharide und/oder die Lipide sowie deren vorstehende Bausteine und jeweiligen Derivate. Unter Derivaten werden dabei alle chemischen Modifikationen der vorstehenden Moleküle verstanden, die weiterhin als Polyanionen an Schichtdoppelhydroxide gebunden werden können. In der Regel wird es sich hierbei um Modifikationen oder Derivatisierungen der funktionellen (Seiten)-Gruppen eines oder mehrerer Bausteine der Biomoleküle handeln. Jedoch sind im Rahmen der Erfindung auch Derivate erfasst, bei denen das ”Rückgrat” des Biomoleküls modifiziert ist, wie beispielsweise bei den peptidischen Nukleinsäuren (PNA).In the context of the present invention, a biomolecule is understood as meaning a molecule which has, as building blocks, nucleotides or nucleosides (nucleobases), amino acids, monosaccharides and / or fatty acids. This group therefore includes the mono-, oligo- and polymers of these building blocks, in particular the oligonucleotides and nucleic acids, oligopeptides and proteins, oligo- and polysaccharides and / or the lipids and their above building blocks and their respective derivatives. Derivatives are understood to be all chemical modifications of the above molecules, which can furthermore be bound as polyanions to layered double hydroxides. In general, these will be modifications or derivatizations of the functional (side) groups of one or more building blocks of the biomolecules. However, in the context of the invention, derivatives are also detected in which the "backbone" of the biomolecule is modified, as for example in the case of the peptidic nucleic acids (PNA).
Nach einer vorteilhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform handelt es sich bei den Biomolekülen um DNA- oder RNA-Moleküle in doppelsträngiger oder einsträngiger Form mit einem oder mehreren Nukleotidbausteinen; Aminosäuren bzw. Oligopeptide und Proteine sowie mono-, oligo- oder polymere Kohlehydrate und Lipide, einschließlich von Glycoproteinen und Glycolipiden, solange diese als (Poly-)Anionen an Schichtdoppelhydroxide an- bzw. eingelagert werden können.According to an advantageous embodiment of the invention, the biomolecules are DNA or RNA molecules in double-stranded or single-stranded form with one or more nucleotide units; Amino acids or oligopeptides and proteins as well as mono-, oligo- or polymeric carbohydrates and lipids, including glycoproteins and glycolipids, as long as they can be deposited or incorporated as (poly) anions on layered double hydroxides.
Wie vorstehend erwähnt, lassen sich mit Hilfe der vorliegenden Erfindung Biomoleküle besonders schonend an bzw. in die Schichtdoppelhydroxide an- bzw. einlagern. Dieser erfindungsgemäße Vorteil kommt natürlich insbesondere bei größeren bzw. längerkettigen Biomolekülen, wie längerkettigen Oligonukleotiden und Nukleinsäuren oder Oligopeptiden und Proteinen oder langkettigen Sacchariden zur Geltung.As mentioned above, with the aid of the present invention, biomolecules can be deposited or stored particularly gently on or in the layered double hydroxides. Of course, this advantage according to the invention is particularly evident in larger or longer-chain biomolecules, such as longer-chain oligonucleotides and nucleic acids or oligopeptides and proteins or long-chain saccharides.
Ein Aspekt betrifft daher die Verwendung der vorstehend definierten Schichtdoppelhydroxide zur Entfernung bzw. Gewinnung von Biomolekülen aus flüssigen oder fluiden Medien, die mindestens ein größeres oder langkettiges Biomolekül wie nachstehend definiert enthalten. Vorzugsweise weist das größere bzw. langkettige Biomolekül, wenn es sich um ein Oligopeptid oder Protein handelt, mindestens 5 Aminosäuren, vorzugsweise mindestens 50 Aminosäuren und besonders bevorzugt mindestens 100 Aminosäuren auf; wenn es sich um eine Oligonukleotid oder eine Nukleinsäure handelt, mindestens 10 Nukleotidbausteine, vorzugsweise mindestens 100 Nukleotidbausteine und besonders bevorzugt mindestens 1000 Nukleotidbausteine auf; wenn es sich um ein Oligo- oder Polysaccharid handelt, mindestens 3 Monosaccharidbausteine, vorzugsweise mindestens 30 Monosaccharidbausteine und besonders bevorzugt mindestens 100 Monosaccharidbausteine auf.One aspect therefore relates to the use of the above-defined layered double hydroxides for the removal or recovery of biomolecules from liquid or fluid media containing at least one larger or long-chain biomolecule as defined below. Preferably, the larger or long-chain biomolecule, if it is an oligopeptide or protein, has at least 5 amino acids, preferably at least 50 amino acids and more preferably at least 100 amino acids; if it is an oligonucleotide or a nucleic acid, at least 10 nucleotide building blocks, preferably at least 100 nucleotide building blocks and more preferably at least 1000 nucleotide building blocks; if it is an oligo- or polysaccharide, at least 3 monosaccharide, preferably at least 30 monosaccharide and more preferably at least 100 Monosaccharidbausteine on.
Nach einem besonders vorteilhaften Aspekt enthält die vorstehende Zusammensetzung somit mindestens ein Biomolekül mit einem Molekulargewicht von mindestens 200 D, insbesondere 10 kD, besonders bevorzugt mindestens 100 kD. Der Größe des Biomoleküls sind dabei im Rahmen der Erfindung nach oben keine Grenzen gesetzt, so dass auch sehr große Biomoleküle mit mehr als 500 kD oder mehr als 1 MD besonders vorteilhaft an- bzw. eingelagert werden können.In a particularly advantageous aspect, the above composition thus contains at least one biomolecule having a molecular weight of at least 200 D, in particular 10 kD, particularly preferably at least 100 kD. Within the scope of the invention, the size of the biomolecule has no upper limits, so that even very large biomolecules with more than 500 kD or more than 1 MD can be deposited or stored in a particularly advantageous manner.
In Bezug auf Aminosäuren ist das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Verwendung der calcinierten Schichtdoppelhydroxide insbesondere für flüssige oder fluide Medien geeignet, die Peptide bzw. Proteine mit mindestens 5 Aminosäuren, vorzugsweise mindestens 50 Aminosäuren und besonders bevorzugt mindestens 100 Aminosäuren aufweisen.With regard to amino acids, the method according to the invention or the use of the calcined layered double hydroxides is particularly suitable for liquid or fluid media which have peptides or proteins with at least 5 amino acids, preferably at least 50 amino acids and more preferably at least 100 amino acids.
In Bezug auf Nukleinsäuren ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft bei flüssigen bzw. fluiden Medien, die Oligonukleotide bzw. Nukleinsäuren mit mindestens 10 Basen(paaren), vorzugsweise mit mindestens 100 Basen (paaren), insbesondere mindestens 1000 Basen(paaren) enthalten.With regard to nucleic acids, the method according to the invention is particularly advantageous in the case of liquid or fluid media containing oligonucleotides or nucleic acids having at least 10 bases (pairs), preferably at least 100 bases (pairs), in particular at least 1000 bases (pairs).
In Bezug auf Kohlenhydrate ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft bei flüssigen bzw. fluiden Medien, die Oligonukleotide bzw. Nukleinsäuren mit mindestens 3 Monosaccharideinheiten, vorzugsweise mit mindestens 30 Monosaccharideinheiten und insbesondere mindestens 100 Monosaccharideinheiten enthalten.With regard to carbohydrates, the method according to the invention is particularly advantageous in the case of liquid or fluid media containing oligonucleotides or nucleic acids with at least 3 monosaccharide units, preferably with at least 30 monosaccharide units and in particular at least 100 monosaccharide units.
Unter flüssigen oder fluiden Medien werden dabei alle Medien verstanden, die ein In-Kontakt-Bringen und somit eine An- bzw. Einlagerung der Biomoleküle in das Schichtdoppelhydroxid ermöglichen. Insbesondere handelt es sich in der Praxis hierbei um wässrige bzw. wasserhaltige Medien in Form einer Lösung, Suspension, Dispersion, kolloidalen Lösung oder Emulsion.Liquid or fluid media are understood to mean all media which bring into contact and thus enable the biomolecules to accumulate or deposit in the layered double hydroxide. In particular, these are in practice aqueous or water-containing media in the form of a solution, suspension, dispersion, colloidal solution or emulsion.
Typische Beispiele sind industrielle oder nicht-industrielle Abwässer, Prozessbrauchwässer, Fermentationsrückstände bzw. -medien, Biomoleküle enthaltende Medien aus der medizinischen oder biologischen Forschung, mit Biomolekülen kontaminierte, flüssige oder fluide Altlasten und dergleichen.Typical examples are industrial or non-industrial wastewaters, process wastewaters, fermentation residues or media, biomolecule-containing media from medical or biological research, biomolecule-contaminated, liquid or fluid contaminated sites and the like.
Das erfindungsgemäße Verfahren, umfasst die folgenden Schritte: a) in-Kontakt-Bringen des flüssigen oder fluiden Mediums, enthaltend mindestens ein Biomolekül, welches als Bausteine Nukleotide, Nukleoside, Aminosäuren, Monosaccharide und/oder Fettsäuren enthält, mit dem Sorptionsmittel; b) Ermöglichen der An- bzw. Einlagerung des mindestens einen Biomoleküls an bzw. in das Schichtdoppelhydroxid; c) Abtrennen des an- bzw. eingelagerten Biomoleküls mit dem Schichtdoppelhydroxid; d) gegebenenfalls Abtrennung bzw. Desorption des mindestens einen Biomoleküls von dem Schichtdoppelhydroxid.The method according to the invention comprises the following steps: a) contacting the liquid or fluid medium containing at least one biomolecule which contains as building blocks nucleotides, nucleosides, amino acids, monosaccharides and / or fatty acids with the sorbent; b) enabling the attachment or incorporation of the at least one biomolecule to or in the layered double hydroxide; c) separating the attached or stored biomolecule with the layered double hydroxide; d) if appropriate, separation or desorption of the at least one biomolecule from the layered double hydroxide.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur An- bzw. Einlagerung von Biomolekülen an bzw. in Schichtdoppelhydroxide kann sowohl zur Anreicherung (d. h. Erhöhung der Konzentration des/der gewünschten Biomoleküle) als auch Anreicherung (d. h. Verringerung der Konzentration des/der gewünschten Biomoleküle) genutzt werden.The method according to the invention for the attachment or incorporation of biomolecules onto or in layered double hydroxides can be used both for enrichment (that is to say increase of the concentration of the desired biomolecule) and enrichment (ie reduction of the concentration of the desired biomolecule).
Wenn das erfindungsgemäße Verfahren auf eine Entfernung oder Entsorgung von Biomolekülen abzielt, kann in einem weiteren Schritt das die Biomoleküle enthaltende Schichtdoppelhydroxid entsorgt werden. Die Entsorgung kann dabei beispielsweise durch thermische Behandlung zur Entfernung des die Biomoleküle enthaltenden Schichtdoppelhydroxids erfolgen, wobei nach der thermischen Desintegration der Biomoleküle das Schichtdoppelhydroxid besonders vorteilhaft entsorgt werden kann.If the method according to the invention is aimed at removal or disposal of biomolecules, the layered double hydroxide containing the biomolecules can be disposed of in a further step. The disposal can take place, for example, by thermal treatment to remove the layered double hydroxide containing the biomolecules, wherein after the thermal disintegration of the biomolecules, the layered double hydroxide can be disposed of particularly advantageously.
So ist es nach einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt möglich, Biomoleküle gezielt aus Medien zu entfernen. Dies spielt beispielsweise bei der Abwasseraufbereitung eine große Rolle, da hier in den meisten Staaten strenge gesetzliche Vorschriften zur Entfernung von Biomolekülen aus Abwässern bestehen.Thus, according to a first aspect of the invention, it is possible to selectively remove biomolecules from media. This plays an important role, for example, in wastewater treatment, since in most countries there are strict legal regulations on the removal of biomolecules from wastewater.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann auch die Abreicherung bzw. Entfernung von Biomolekülen aus Kulturmedien durchgeführt werden. So kann es beispielsweise in Bioreaktoren aufgrund der im Medium enthaltenen hohen Konzentration an Biomolekülen, insbesondere hochmolekularen Nukleinsäuren, zu einem unerwünschten Anstieg der Viskosität kommen. Hier kann über das erfindungsgemäße Verfahren eine effiziente und biologisch verträgliche Entfernung der störenden Biomoleküle aus dem Kulturmedium erfolgen. Durch die Zugabe des Sorptionsmittels zu dem Kulturmedium kann die Viskosität auch auf ein gewünschtes Maß eingestellt werden.According to a further preferred embodiment of the invention, the depletion or removal of biomolecules from culture media can also be carried out. For example, in bioreactors an undesirable increase in viscosity may occur due to the high concentration of biomolecules, in particular high molecular weight nucleic acids, contained in the medium. Here, an efficient and biocompatible removal of the interfering biomolecules from the Culture medium done. By adding the sorbent to the culture medium, the viscosity can also be adjusted to a desired level.
Genauso ist es in vielen Fällen erwünscht, die Konzentration an Biomolekülen in einem Medium zu erhöhen bzw. diese Biomoleküle möglichst in reiner Form zu gewinnen. Beispielsweise fällt die Gewinnung bzw. Aufreinigung gewünschter Proteine, Kohlenhydrate oder Nukleinsäuren aus Lösungen zu den Standardprozeduren in der biologischen und medizinischen Forschung. Dabei kann erfindungsgemäß in einem weiteren Schritt das Biomolekül von dem Schichtdoppelhydroxid wieder desorbiert bzw. gewonnen werden, wodurch das Schichtdoppelhydroxid ggf. erneut eingesetzt werden kann.In the same way, it is often desirable to increase the concentration of biomolecules in a medium or to obtain these biomolecules in pure form as far as possible. For example, the recovery or purification of desired proteins, carbohydrates or nucleic acids from solutions has become standard procedures in biological and medical research. In this case, according to the invention, in a further step, the biomolecule can be desorbed or recovered from the layered double hydroxide, as a result of which the layered double hydroxide can optionally be reused.
Nach einem weiteren erfindungsgemäßen Aspekt können die Schichtdoppelhydroxidteilchen über ein geeignetes Bindemittel zu größeren Agglomeraten, Granulaten bzw. Formkörpern verbunden oder auf einen Träger aufgebracht werden. Die Form und Größe solcher übergeordneter Strukturen, die die primären Schichtdoppelhydroxidteilchen enthalten, richtet sich nach der jeweils gewünschten Anwendung. Es können somit alle dem Fachmann geläufigen und im Einzelfall geeigneten Formen und Größen eingesetzt werden. Beispielsweise können in vielen Fallen Agglomerate mit einem Durchmesser von mehr als 10 μm, insbesondere mehr als 50 μm bevorzugt sein. Bei einer Schüttung für Chromatographiesäulen und dergleichen kann dabei eine Kugelform der Agglomerate vorteilhaft sein. Ein möglicher Träger ist beispielsweise Calciumcarbonat.According to a further aspect of the invention, the layered double hydroxide particles can be bonded to larger agglomerates, granules or shaped bodies via a suitable binder or applied to a support. The shape and size of such parent structures containing the primary layered double hydroxide particles will depend on the particular application desired. It is thus possible to use all shapes and sizes which are familiar to the person skilled in the art and which are suitable in individual cases. For example, agglomerates with a diameter of more than 10 .mu.m, in particular more than 50 .mu.m, may be preferred in many cases. In the case of a bed for chromatography columns and the like, a spherical shape of the agglomerates may be advantageous. A possible carrier is, for example, calcium carbonate.
Auch kann jedes dem Fachmann geläufige Bindemittel verwendet werden, solange die An- bzw. Einlagerung der Biomoleküle in bzw. an die Schichtdoppelhydroxidteilchen nicht zu stark beeinträchtigt wird bzw. die für die jeweilige Anwendung zu erfordernde Stabilität der Teilchenagglomerate bzw. Formkörper gewährleistet ist. Beispielsweise, ohne hierauf beschränkt zu sein, können als Bindemittel verwendet werden: Agar-Agar, Alginate, Chitosane, Pektine, Gelatinen, Lupinenproteinisolate oder Gluten.It is also possible to use any binder known to the person skilled in the art as long as the attachment or incorporation of the biomolecules into or onto the layered double hydroxide particles is not excessively impaired or the stability of the particle agglomerates or shaped bodies required for the particular application is ensured. For example, but not limited to, can be used as binders: agar-agar, alginates, chitosans, pectins, gelatins, lupine protein isolates or gluten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung der Zusammensetzungen als anorganische Vektoren zum Einbringen von Biomolekülen in Zellen oder als pharmazeutische Zusammensetzung, insbesondere als Reservoir zur Speicherung und kontrollierten Freisetzung von Biomolekülen, bevorzugt von Nukleinsäuren. So wurde überraschenderweise gefunden, dass die schonende und wirkungsvolle An- bzw. Einlagerung der Biomoleküle in bzw. an die Schichtdoppelhydroxide, die durch in-Kontakt-Bringen des die Biomoleküle enthaltenen flüssigen oder fluiden Mediums mit dem calcinierten Schichtdoppelhydroxid erhalten werden kann, auch zu einer besonders effizienten Einschleusung dieser Biomoleküle in prokaryontische oder eukaryontische Zellen dienen kann. Offenbar lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Biomoleküle, insbesondere Nukleinsäuren, in besonders vorteilhafter Weise zur Einschleusung in Zellen verpacken. Der prinzipielle Mechanismus einer solchen Einschleusung von DNA-LDH-Nanohybriden ist beispielsweise in der Literaturstelle Choy et al., Angew. Chem. 2000, 112 (22), Seiten 4207–4211, sowie in der
Die vorliegend angegebenen BET-Oberflächen wurden nach DIN 66131 bestimmt.The BET surface areas indicated here were determined according to DIN 66131.
Die angegebenen (mittleren) Porendurchmesser, -volumina und -flächen wurden unter Verwendung eines vollautomatischen Stickstoff-Adsorptionsmessgerätes (ASAP 2000, Firma Micrometrics) nach dem Standardprogramm des Herstellers (BET, BJH, t-plot und DFT) bestimmt. Die prozentualen Angaben zum Anteil bestimmter Porengrößen beziehen sich auf das Gesamtporenvolumen an Poren zwischen 1,7 und 300 nm Durchmesser (BJH Adsorption Pore Distribution Report).The indicated (mean) pore diameters, volumes and areas were determined using a fully automatic nitrogen adsorption meter (ASAP 2000, Micrometrics) according to the manufacturer's standard program (BET, BJH, t-plot and DFT). The percentage figures for the proportion of specific pore sizes are based on the total pore volume of pores between 1.7 and 300 nm in diameter (BJH Adsorption Pore Distribution Report).
Die Erfindung wird nun anhand der nachstehenden nichtbeschränkenden Beispiele näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the following non-limiting examples.
Es wurden die nachstehenden Hydrotalcite als Ausgangsmaterialien verwendet, wobei die Herstellung entsprechender Schichtdoppelhydroxide auch nach dem Fachmann geläufigen Verfahren (siehe oben) leicht mög1ich ist. Die Einstellung der Porosimetrie und der Oberflächen der Schichtdoppelhydroxide kann dabei insbesondere durch routinemäßige Versuche zur hydrothermalen Nachbehandlung und zur Calcinierung leicht erfolgen.
- 1. HT-Granulat, erhältlich unter dem Handelsnamen CERATOFIX®NA (HT-Granulat) von der Firma Süd-Chemie AG, ist ein Mg/Al-Hydrotalcit. Die Calcinierung erfolgte 4 h im Muffelofen bei 600°C, wobei über konzentrierter Schwefelsäure im Exsikkator abgekühlt wurde. Etwa 81% (76%) des Gesamtporenvolumens der Poren zwischen 1,7 und 300 nm wurden beim calcinierten Material durch Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm (10 nm) gebildet. Die Mikroporenfläche lag bei etwa 79 m2/g.
- 2. HT-16, erhältlich unter dem Handelsnamen CERATOFIX®NA (HT-16) von der Firma Süd-Chemie AG, ist ein nicht-calcinierter Mg/Al-Hydrotalcit in der Nitratform.
- 1. HT granules, available under the trade name NA CERATOFIX ® (HT-granules) by Sud-Chemie AG, is a Mg / Al hydrotalcite. The calcination was carried out for 4 h in a muffle furnace at 600 ° C, being cooled over concentrated sulfuric acid in a desiccator. About 81% (76%) of the total pore volume of the pores between 1.7 and 300 nm was formed in the calcined material by pores having a diameter of less than 20 nm (10 nm). The microporous area was about 79 m 2 / g.
- 2. HT-16, available under the trade name NA CERATOFIX ® (HT-16) by Sud-Chemie AG, is a non-calcined Mg / Al hydrotalcite in the nitrate form.
Die calcinierten Hydrotalcite wurden direkt zu dem die Biomoleküle enthaltenden flüssigen Medium gegeben, um die Hydroxidform zu erzeugen.The calcined hydrotalcites were added directly to the liquid medium containing the biomolecules to produce the hydroxide form.
Zur vergleichsweisen Aktivierung von HT-Granulat mit Säure wurden zu 0,1 g des Hydrotalcits in Form einer 10%igen Suspension in destilliertem Wasser 28,6 μl 99,8%ige Essigsäure gegeben, gründlich gemischt und anschließend 10 min mit 2500 UpM zentrifugiert. Der Rückstand wurde zum Entfernen der Säurereste in 5 ml Tris-Puffer (10 mM Tris/HCl, pH 8,0) suspendiert und erneut zentrifugiert.For comparative activation of HT granules with acid, 28.6 μl of 99.8% acetic acid were added to 0.1 g of the hydrotalcite in the form of a 10% suspension in distilled water, mixed thoroughly and then centrifuged at 2500 rpm for 10 min. The residue was suspended in 5 ml of Tris buffer (10 mM Tris / HCl, pH 8.0) to remove the acid residues and recentrifuged.
Als weiterer Vergleich wurde Hydrotalcit HT-16 von der Nitratform in die Chloridform überführt, indem 0,1 g des trockenen Materials in 5 ml Pufferlösung (10 mM Tris/HCl, 1M NaCl, pH 8,0) gewaschen, abzentrifugiert, zur Entfernung von verbliebenem NaCl in 5 ml Tris-Puffer (10 mM Tris/HCl, 1M NaCl, pH 8,0) gewaschen und erneut abzentrifugiert wurden (siehe Tab. I und II; HT-16, gewaschen).As a further comparison, hydrotalcite HT-16 was converted from the nitrate form to the chloride form by washing 0.1 g of the dry material in 5 ml of buffer solution (10 mM Tris / HCl, 1M NaCl, pH 8.0), centrifuging to remove washed NaCl in 5 ml Tris buffer (10 mM Tris / HCl, 1M NaCl, pH 8.0) and again centrifuged (see Tables I and II, HT-16, washed).
1. Bestimmung der DNA-Bindungskapazität1. Determination of DNA binding capacity
Es werden jeweils 0,1 g der vorstehenden Hydrotalcitproben zu 5 ml DNA-Lösung (Heringssperma-DNA-Natriumsalz bzw. -Säure, Firma Sigma, Schnelldorf) bekannter Konzentration (2,5 mg/ml) hinzugegeben und solange gemischt, bis eine gleichmäßige Suspension entsteht. Die Probe wird anschließend 1 h bzw. 16 h mit 250 UpM bei Raumtemperatur geschüttelt. Es wird 15 min bei 2500 UpM zentrifugiert (der Rückstand wird nachstehend bei den Elutionsversuchen verwendet) und der Überstand sterilfiltriert. Enthält der verwendete Puffer kein EDTA, so werden 10 μl 0,5 M EDTA-Lösung hinzugegeben, um die Proben vor DNase-Kontamination zu schützen. Die DNA-Konzentration des Überstandes wird photometrisch anhand der UV-Absorption bei 260 nm bestimmt (Sambrook et al., ”Molecular Cloning – A Laboratory Manual”, Band III, Seite C1, Cold Spring Harbour Laboratory Press, 2nd Edition (1989). Aus der Konzentrationsdifferenz wird die Bindungskapazität berechnet.Each 0.1 g of the above Hydrotalcitproben to 5 ml of DNA solution (herring sperm DNA sodium or acid, Sigma, Schnelldorf) known concentration (2.5 mg / ml) was added and mixed until a uniform Suspension arises. The sample is then shaken for 1 h or 16 h at 250 rpm at room temperature. It is centrifuged for 15 minutes at 2500 rpm (the residue is used below in the elution experiments) and the supernatant is sterile filtered. If the buffer used does not contain EDTA then 10 μl 0.5 M EDTA solution is added to protect the samples from DNase contamination. The DNA concentration of the supernatant is determined photometrically on the basis of UV absorption at 260 nm (Sambrook et al, "Molecular Cloning - A Laboratory Manual", Vol. III, page C1, Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2 nd Edition (1989) From the concentration difference, the binding capacity is calculated.
Es wurden für die eingangs beschriebenen Hydrotalcitproben die statischen Bindungskapazitäten sowohl für die DNA-Säure als auch für das DNA-Salz (siehe oben) bestimmt.For the hydrotalcite samples described above, the static binding capacities for both the DNA acid and the DNA salt (see above) were determined.
Als Puffer zur Herstellung der DNA-Lösungen wurden sowohl ein Tris-Puffer (10 mM Tris/HCl, pH 8) als auch ein TE-Puffer (10 mM Tris/HCl, 1 mM EDTA, pH 8) verwendet. Die ermittelten Kapazitäten waren für beide Puffersysteme identisch.As a buffer for preparing the DNA solutions, both a Tris buffer (10 mM Tris / HCl, pH 8) and a TE buffer (10 mM Tris / HCl, 1 mM EDTA, pH 8) were used. The determined capacities were identical for both buffer systems.
Die Kapazitäten sind immer auf das Gewicht des eingesetzten Materials bezogen. Bei der Aktivierung mit Säure ist das Gewicht der unaktivierten, trockenen Form angegeben.The capacities are always based on the weight of the material used. When activated with acid, the weight of the unactivated, dry form is indicated.
Alle Versuche wurden dreimal durchgeführt, als Ergebnis ist der Mittelwert der drei Messungen in den nachstehenden Tabellen 1 und 11 angegeben. Tabelle I: Bindungskapazitäten verschiedener Hydrotalcite und der Vergleichssysteme für DNA-Säure
Es zeigt sich, dass bei Einsatz des erfindungsgemäß verwendeten calcinierten Hydrotalcits die Bindungskapazitäten für DNA sowohl in der Säureform als auch der Salzform erheblich höher liegen als dies bei nicht aktivierten oder säureaktivierten Hydrotalciten sowie bei Hydrotalcit in der Nitratform bzw. in der Chloridform der Fall ist.It turns out that when using the calcined hydrotalcite according to the invention, the binding capacities for DNA in both the acid form and the salt form are considerably higher than with non-activated or acid-activated hydrotalcites and with hydrotalcite in the nitrate form or in the chloride form.
Auch ein vergleichsweise eingesetzter calcinierter Hydrotalcit, bei dem aufgrund einer anderen hydrothermalen Nachbehandlung bei der Herstellung gegenüber calciniertem HT-Granulat nur ca. 42% des Gesamtporenvolumens der Poren zwischen 1,7 und 300 nm, durch Poren mit einem Durchmesser von weniger als 20 nm gebildet wurden (zum Vergleich: calciniertes HT-Granulat: mehr als 50%), zeigt eine erheblich geringere Bindungskapazitäten für DNA.Also a comparatively used calcined hydrotalcite, in which only about 42% of the total pore volume of the pores between 1.7 and 300 nm, formed by pores having a diameter of less than 20 nm due to another hydrothermal treatment during the preparation of calcined HT granules were (for comparison: calcined HT granules: more than 50%), shows a significantly lower binding capacities for DNA.
2. Elution der gebundenen DNA:2. Elution of the bound DNA:
Vor der Elution wird der jeweilige Rückstand (siehe Punkt 1. oben) mit 5 ml Tris-Puffer (10 mM Tris/HCl, pH 8) gewaschen, dann wird das angegebene Volumen des nachstehenden Elutionspuffers hinzugefügt und 16 h mit 250 UpM geschüttelt. Es wird 15 min mit 2500 UpM zentrifugiert und der Überstand sterilfiltriert. Die DNA-Konzentration der Elutionsfraktion wird photometrisch bestimmt und die Wiederfindungsrate berechnet.Before elution, wash the respective residue (see 1. above) with 5 ml Tris buffer (10 mM Tris / HCl, pH 8), then add the indicated volume of the following elution buffer and shake at 250 rpm for 16 h. It is centrifuged at 2500 rpm for 15 min and the supernatant is sterile filtered. The DNA concentration of the elution fraction is determined photometrically and the recovery rate is calculated.
Zur Elution der DNA von dem Schichtdoppelhydroxid wurde der folgende Puffer eingesetzt: 0,5 M Na3PO4, pH 7,3 mit Na3PO4 eingestellt (Elutionspuffer). Mit diesem Puffer konnte bei einem relativen Elutionsvolumen von 500 ml/g der überwiegende Teil der DNA von dem erfindungsgemäß eingesetzten LDH eluiert und im Überstand photometrisch nachgewiesen werden.To elute the DNA from the layered double hydroxide, the following buffer was used: 0.5 M Na 3 PO 4 , pH 7.3, adjusted with Na 3 PO 4 (elution buffer). With this buffer, with a relative elution volume of 500 ml / g, the majority of the DNA could be eluted from the LDH used according to the invention and detected photometrically in the supernatant.
Somit ist eine reversible Bindung der DNA an den Hydrotalcit gewährleistet und eine Gewinnung des gewünschten Biomoleküls in Reinform möglich. Das abgetrennte Schichtdoppelhydroxid kann, gegebenenfalls nach erneuter Calcinierung, erneut eingesetzt werden.Thus, a reversible binding of the DNA is guaranteed to the hydrotalcite and recovery of the desired biomolecule in pure form possible. The separated layered double hydroxide can be used again, if appropriate after renewed calcination.
3. Bindung von Proteinen am Beispiel von BSA3. Binding of proteins using the example of BSA
Als Modellprotein wurde BSA (Fraktion V, Firma Sigma, Schnelldorf) verwendet.The model protein used was BSA (fraction V, Sigma, Schnelldorf).
Es wurden jeweils 0,1 g der eingangs angegebenen Hydrotalcitproben zu 5 ml BSA-Lösung in TE-Puffer (c = 2 mg·ml–1) gegeben und für 16 h mit 250 UpM geschüttelt. Nach dem Abzentrifugieren für 10 min mit 2500 UpM wurde die Proteinkonzentration im überstand photometrisch durch Messung der Absorption bei 280 nm bestimmt. Auch dieser Versuch wurde dreimal durchgeführt.In each case, 0.1 g of the hydrotalcite samples given at the beginning was added to 5 ml BSA solution in TE buffer (c = 2 mg.ml -1 ) and shaken for 16 h at 250 rpm. After centrifuging for 10 min at 2500 rpm, the protein concentration in the supernatant was determined photometrically by measuring the absorbance at 280 nm. This experiment was also carried out three times.
Auch hier zeigte sich, dass bei Einsatz der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten calcinierten Hydrotalcite die Bindungskapazitäten für Protein erheblich höher liegen als dies bei nicht aktivierten oder säureaktivierten Hydrotalciten sowie bei Hydrotalcit in der Nitratform bzw. der Chloridform der Fall ist.Again, it has been found that when using the calcined hydrotalcites used in the present invention, the binding capacities for protein are considerably higher than in non-activated or acid-activated hydrotalcites and hydrotalcite in the nitrate form or the chloride form is the case.
4. Transfektion von NIH-3T3-Zellen mit Hydrotalcit als anorganischem Vektor4. Transfection of NIH-3T3 cells with hydrotalcite as inorganic vector
a) Zellkultivierung:a) Cell cultivation:
Für die Transfektionsexperimente wird die Zellinie NIH-3T3 verwendet. Hierbei handelt es sich um adhärent wachsende Mausembryo-Fibroblasten. Die Verdoppelungszeit beträgt ca. 20 h. Die Zellen werden in dem Standardmedium DMEM (mit 4,5 g·1–1 Glukose) mit 10% NCS kultiviert. Die Kultivierung erfolgt in einem Brutschrank bei 37°C unter humidizierter 5%iger CO2-Atmosphäre.For the transfection experiments, the cell line NIH-3T3 is used. These are adherently growing mouse embryo fibroblasts. The doubling time is about 20 h. The cells are cultured in the standard medium DMEM (with 4.5 g. 1 -1 glucose) with 10% NCS. The cultivation is carried out in an incubator at 37 ° C under humidified 5% CO 2 atmosphere.
Zum Ansetzen der Stammkultur wird die aufgetaute Zellsuspension in eine Monolayerflasche (25 cm2) mit 10 ml Medium gegeben. Eine direkte Zellzahlbestimmung ist bei adhärent wachsenden Zellen nicht möglich, eine Kontrolle der Wachstumsrate erfolgt über den Bedeckungsgrad des Kulturgefäßes. Bei ca. 90%iger Konfluenz – i. d. R. nach 3–4 Tagen – wird die Kultur umgesetzt, um das Überwachsen der Zellen (Fokibildung) zu vermeiden. Dazu wird das Medium abdekantiert, Trypsin-Lösung hinzugegeben und 10 min im Brutschrank inkubiert. Die abgelöste Zellsuspension wird mit ca. 15 ml serumhaltigen Medium vermischt, um das Trypsin zu blockieren. Die abzentrifugierten Zellen werden in frischem Medium resuspendiert und in einer Verdünnung von 1:10 neu ausgesät.To prepare the stock culture, the thawed cell suspension is placed in a monolayer bottle (25 cm 2 ) with 10 ml of medium. A direct determination of the cell count is not possible with adherently growing cells; a control of the growth rate takes place via the degree of coverage of the culture vessel. At about 90% confluence - usually after 3-4 days - the culture is implemented in order to avoid the overgrowth of the cells (Fokibildung). For this purpose, the medium is decanted off, added trypsin solution and incubated for 10 min in an incubator. The detached cell suspension is mixed with about 15 ml of serum-containing medium to block the trypsin. The centrifuged cells are resuspended in fresh medium and re-seeded at a dilution of 1:10.
b) Transfektion:b) transfection:
Als anorganischer Vektor für die Transfektion von NIH-3T3-Zellen wurden die eingangs angegebenen Hydrotalcitproben vor der Transfektion mit dem Plasmid pQBI25-fC1 (Firma Qbiogene, Heidelberg) ”beladen”. Dafür wurden 10 mg der jeweiligen Hydrotalcitprobe eingewogen und zum Sterilisieren mit Ethanol gewaschen. Anschließend wurden 2 ml steriles, destilliertes Wasser hinzugegeben, kurz gevortext und 3 min bei 5000 UpM zentrifugiert. Zu dem Rückstand wurde 1,5 ml sterile Plasmid-DNA der Konzentration 1,45 ml·ml–1 gegeben und 16 h bei Raumtemperatur mit 250 UpM geschüttelt.As an inorganic vector for the transfection of NIH-3T3 cells, the hydrotalcite samples indicated above were "loaded" with the plasmid pQBI25-fC1 (Qbiogene, Heidelberg) prior to transfection. For this, 10 mg of the respective hydrotalcite sample were weighed and washed with ethanol to sterilize. Subsequently, 2 ml of sterile, distilled water were added, vortexed briefly and centrifuged for 3 min at 5000 rpm. To the residue was added 1.5 ml of sterile plasmid DNA of concentration 1.45 ml.ml -1 and shaken at room temperature for 16 hours at 250 rpm.
Das DNA-Hydrotalcit-Hybrid wurde in 10 ml destilliertem, sterilen Wasser suspendiert. Die Transfektion mit Hydrotalcit als Vektor wurde jeweils mit zwei verschiedenen Konzentrationen von DNA-Hydrotalcit-Hybrid durchgeführt. Die NIH-3T3-Zellen wurden 24 h vor der Transfektion mit einer Dichte von 1–2·105 Zellen·cm–2 in 6-Loch-Platten ausgesät und im Brutschrank bei 37°C unter humidifizierter 5%-iger CO2-Atmosphäre inkubiert. Die angegebenen Mengen beziehen sich jeweils auf ein Loch der 6-Loch-Platte. Die Analyse erfolgte 48 h nach Beginn der Transfektion mit dem Fluoreszenzmikroskop. Transfizierte Zellen erkennt man an der GFP-Produktion, bei Anregung mit 474 nm leuchten sie bei Betrachtung im Fluroreszenzmikroskop grün.The DNA hydrotalcite hybrid was suspended in 10 ml of distilled, sterile water. The transfection with hydrotalcite as a vector was carried out in each case with two different concentrations of DNA-hydrotalcite hybrid. The NIH-3T3 cells were seeded 24 hours before transfection at a density of 1-2 × 10 5 cells cm -2 in 6-well plates and incubated in an incubator at 37 ° C. under humidified 5% CO 2 . Atmosphere incubated. The indicated amounts each refer to a hole of the 6-hole plate. The analysis was carried out 48 h after the beginning of the transfection with the fluorescence microscope. Transfected cells can be recognized by the GFP production, when excited at 474 nm, they glow green when viewed in fluorescence microscopy.
Variante 1:Version 1:
Direkt vor dem Versuch wurde das Medium abgenommen und 1,5 ml neues Medium hinzugegeben. 25 bzw. 100 μl der DNA-Hydrotalcit-Suspension wurden hinzugefügt und es wurde 3 h im Brutschrank inkubiert. Anschließend wurde das Medium gewechselt und weitere 45 h inkubiert.Immediately before the experiment, the medium was removed and 1.5 ml of new medium added. 25 or 100 μl of the DNA hydrotalcite suspension were added and incubated for 3 hours in an incubator. Subsequently, the medium was changed and incubated for a further 45 h.
Variante 2:Variant 2:
Direkt vor dem Versuch wurde das Medium abgenommen und 1,5 ml neues Medium hinzugegeben. 25 bzw. 100 μl der Suspension wurden hinzugegeben und es wurde 24 h inkubiert. Anschließend wurde das Medium gewechselt und weitere 24 h inkubiert.Immediately before the experiment, the medium was removed and 1.5 ml of new medium added. 25 or 100 μl of the suspension was added and incubated for 24 h. Subsequently, the medium was changed and incubated for a further 24 h.
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Hybrids mit dem (rekonstituierten) calcinierten Hydrotalcit konnten im Vergleich zu den Hybrid-Zusammensetzungen mit den nicht aktivierten oder säureaktivierten Hydrotalciten sowie dem Hydrotalcit (HT-16) in der Nitratform bzw. Choridform erheblich mehr erfolgreich transfizierte Zellen anhand der Fluoreszenz nachgewiesen werden, so dass sich die erfindungsgemäßen DNA-Hydrotalcit-Hybride als anorganische Vektoren eignen.When using the hybrid according to the invention with the (reconstituted) calcined hydrotalcite significantly more successfully transfected cells could be detected by fluorescence compared to the hybrid compositions with the non-activated or acid-activated hydrotalcites and the hydrotalcite (HT-16) in the nitrate form or choroid form so that the DNA hydrotalcite hybrids according to the invention are suitable as inorganic vectors.
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