DE19503685C2 - Process for the preparation of complex multi-enzymatic storage-stable reaction mixtures and their use - Google Patents

Process for the preparation of complex multi-enzymatic storage-stable reaction mixtures and their use

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Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung komplexer multienzymatischer lagerstabiler Reaktionsgemische aus nativen und gegebenenfalls artifiziellen enzymatisch aktiven Proteingemischen, die anwendungsfertig komplettiert sind und ohne Aktivitätsverlust bei 4°-10°C oder gegebenenfalls bei Raumtemperatur gelagert werden können, sowie die Verwendung dieser Reaktionsgemische für die Synthese, Modifizierung oder Analyse von Polypeptiden und Nukleinsäuren.The invention relates to a process for the production of complex multi-enzymatic storage-stable reaction mixtures of native and optionally artificial enzymatic active protein mixtures, which are completed ready to use and without loss of activity 4 ° -10 ° C or if necessary at room temperature, as well as the use of these reaction mixtures for the synthesis, modification or analysis of polypeptides and Nucleic acids.

Die Verwendung von Zellextrakten und Enzymgemischen zur Untersuchung komplexer biochemischer Reaktionsabläufe spielt eine zentrale Rolle in der Molekularbiologie, Biochemie und molekularen Diagnostik.The use of cell extracts and enzyme mixtures to study complex biochemical reaction processes play a central role in molecular biology, biochemistry and molecular diagnostics.

Die zellfreie Proteinbiosynthese mit Hilfe von Lysaten aus Weizenkeimen, Kaninchen-Retikulocyten oder Escherichia coli-Zellen ist eine Schlüsselmethode bei der Erforschung von grundlegenden Mechanismen der Synthese, Faltung und posttranslationalen Reifung von Proteinen und Polypeptiden. Probleme des intrazellulären Targetings und der Reifung von Proteinen und anderen Biomolekülen werden mit Hilfe von Mikrosomen (ER-haltige Zellfraktion), isolierten Mitochondrien, Chloroplasten oder Zellkernextrakten untersucht. Neben Anwendungen aus der Grundlagenforschung gewinnen multienzymatische Zellextrakte für die Proteinbiosynthese zunehmend Bedeutung für die Lösung präparativ-synthetischer bzw. diagnostischer Zielstellungen (21; 22). Die in-vitro Translation im semipräparativen Maßstab ist ein vielversprechendes Werkzeug für die Synthese von Proteinteilstücken zur Kartierung von Epitopen, katalytischen Zentren oder artifiziellen Antigendeterminanten. Auch bei den molekularbiologischen Methoden, wie der RNS-Synthese in-vitro (7), der Polymerasekettenreaktion (PCR)(2; 5) oder DNS-Sequenzierung (20), zeichnet sich ein Trend zur Verwendung multienzymatischer Reaktionssysteme ab. Die Leistungsfähigkeit und Synthesegenauigkeit von DNA- & RNS-Polymerasen kann durch die Kombination mit anderen Enzymen und Cofaktoren wie anorganische Pyrophosphatase, DNS-Bindungsproteine, RNase-Inhibitoren oder Exonukleasen gesteigert werden. Anspruchsvolle Anwendungen wie die Amplifikation von langen DNA-Fragmenten (< 10 kb) mit hoher Synthesegenauigkeit (LA-PCR), ausgehend von genomischer DNA, werden erst durch die Kombination von mehreren DNS- Polymerasen mit verschiedenen Eigenschaften möglich (2; 5).Cell-free protein biosynthesis using lysates from wheat germ, Rabbit reticulocytes or Escherichia coli cells is a key method in that Research into basic mechanisms of synthesis, folding and post-translational Maturation of proteins and polypeptides. Problems of intracellular targeting and maturation of proteins and other biomolecules with the help of microsomes (ER-containing Cell fraction), isolated mitochondria, chloroplasts or nuclear extracts. In addition to applications from basic research, multi-enzymatic cell extracts win for protein biosynthesis is becoming increasingly important for the solution of preparative-synthetic or diagnostic objectives (21; 22). The in vitro translation is on a semi-preparative scale a promising tool for the synthesis of protein fragments for mapping Epitopes, catalytic centers or artificial antigen determinants. Even with the molecular biological methods, such as RNA synthesis in vitro (7), the Polymerase chain reaction (PCR) (2; 5) or DNA sequencing (20), is a trend towards Use of multi-enzymatic reaction systems. The performance and Synthesis accuracy of DNA & RNA polymerases can be achieved by combining them with others Enzymes and cofactors such as inorganic pyrophosphatase, DNA binding proteins, RNase inhibitors or exonucleases can be increased. Demanding applications like that Amplification of long DNA fragments (<10 kb) with high synthesis accuracy (LA-PCR), starting from genomic DNA, is only possible by combining several DNA Polymerases with different properties possible (2; 5).

Der breiten Anwendung von komplexen multienzymatischen Reaktionssystemen sind in der angewandten Forschung und der Diagnostik noch enge Grenzen gesetzt, weil nach dem gegenwärtigen Stand der Technik Probleme der Stabilität, der einfachen Handhabung und damit der Reproduzierbarkeit nur unzureichend gelöst sind. Der entscheidende Nachteil von komplexen multienzymatischen Reaktionssystemen gegenüber Reaktionsgemischen mit Einzelenzymen besteht in ihrer komplizierten technischen Handhabung. Die kompletten Reaktionsgemische mit allen Enzymen, Substraten und Cofaktoren sind als wäßrige Lösung weder bei Raumtemperatur noch bei -20°C stabil. Ein Problem, das die Stabilität von multienzymatischen Reaktionsgemischen beeinträchtigt, ergibt sich aus der Tatsache, daß die optimalen Reaktionsbedingungen (pH-Wert, Ionenstärke, Art der Salze, Konzentration des Stabilisierungsmittels) für die Biosynthese meist von denen abweichen, die für die dauerhafte Konservierung der Enzymkomponenten und Cofaktoren optimal sind (10; 12; 18). Außerdem stellen die einzelnen Proteinkomponenten von Zellextrakten oder Enzymgemischen, je nachdem ob es sich um lösliche Enzyme, fibrilläre Strukturproteine, membranassozierte Enzymkomplexe oder Nukleoproteide handelt, unterschiedliche Anforderungen an die Lagerbedingungen in Lösung. Herkömmlicherweise werden deshalb kommerzielle Reaktionssysteme für die in-vitro Transkription, Translation, PCR oder DNS-Sequenzierung in Form von Kits angeboten, in denen die Komponenten einzeln bereitgestellt werden. Im ungünstigsten Falle, wie das folgende Beispiel mit einem Reaktionsgemisch für die in-vitro Translation zeigt, müssen die verschiedenen Komponenten eines Kits nach Erhalt getrennt unter unterschiedlichen Bedingungen gelagert werden. Dem Anwender obliegt die Aufgabe, für jede Versuchsprobe den Reaktionsansatz aus einer Vielzahl von Einzelkomponenten zusammenzumischen. Dieser Vorgang ist nur schwer automatisierbar. Mit der Anzahl der Proben potenziert sich der Zeitaufwand und die Wahrscheinlichkeit von Fehlern, und dadurch wird die Reproduzierbarkeit beeinträchtigt. Oft nimmt die Vorbereitung der Reaktionsgemische mehr Zeit in Anspruch als die eigentliche Versuchsdurchführung.The widespread use of complex multi-enzymatic reaction systems are in the applied research and diagnostics are still limited because after the current state of the art problems of stability, ease of use and thus reproducibility are insufficiently resolved. The crucial disadvantage of complex  multi-enzymatic reaction systems versus reaction mixtures with single enzymes consists in their complicated technical handling. The complete reaction mixtures with All enzymes, substrates and cofactors are as an aqueous solution neither at room temperature still stable at -20 ° C. A problem affecting the stability of multi-enzymatic Reaction mixtures impaired arises from the fact that the optimal Reaction conditions (pH value, ionic strength, type of salts, concentration of the Stabilizing agent) for the biosynthesis usually deviate from those for the permanent Preservation of the enzyme components and cofactors are optimal (10; 12; 18). Moreover represent the individual protein components of cell extracts or enzyme mixtures, depending on whether it is soluble enzymes, fibrillary structural proteins, membrane-associated enzyme complexes or nucleoproteids, different requirements for storage conditions in Solution. Traditionally, therefore, commercial reaction systems for in vitro Transcription, translation, PCR or DNA sequencing are offered in the form of kits in which the components are provided individually. In the worst case, like the following example with a reaction mixture for in vitro translation shows the different Components of a kit are stored separately under different conditions after receipt become. It is the responsibility of the user to determine the reaction approach for each test sample a large number of individual components. This process is difficult automatable. With the number of samples, the time required and the Probability of errors, and this affects reproducibility. Often the preparation of the reaction mixtures takes more time than the actual one Test execution.

Beispielhaft läßt sich diese Problematik anhand der Zusammensetzung der Reaktionsgemische für die in-vitro Translation mit Hilfe zellfreier Extrakte darstellen:
This problem can be exemplified using the composition of the reaction mixtures for in-vitro translation using cell-free extracts:

Aufgrund der verschiedenen Temperaturanforderungen von -85°C, -20°C und 4°C ist der technische Aufwand für die Lagerung und den Transport der Ausgangskomponenten des Translationsgemisches hoch. Die Komponenten 1 und 4 sind selbst bei konstant -20°C nur wenige Monate stabil und müssen dann durch frische Lösungen ersetzt werden. Die Versendung von Zellextrakten und den anderen Reaktionskomponenten in löslicher Form muß in Trockeneis erfolgen, um ein Auftauen der Probe zu vermeiden. Auch die Lagerung ist insofern nicht unproblematisch, als daß man teure Tiefgefriertruhen, die üblicherweise mit flüssigem Stickstoff betrieben werden, mit technisch aufwendigen Absicherungen und Alarmanlagen benötigt. Der empfindlichste und zugleich wichtigste Teil von Reaktionsgemischen für die in-vitro Translation sind die Zellextrakte, weil sie alle enzymatischen Komponenten für die ribosomale Proteinbiosynthese enthalten. Der komplexe biochemische Reaktionsablauf der mRNS-gesteuerten Polypeptidsynthese erfordert die kooperative Interaktion einer Vielzahl von Enzymen, Enzymkomplexen und Strukturproteinen mit unterschiedlicher Struktur und Stabilität. Anders als in Zellen, wo die Proteine des ribsomalen Translationsapparates makromolekulare Komplexe bilden, die durch Interaktionen mit den filamentösen Komponenten des Zytoskeletts stabilisiert werden, enthalten die zellfreien translationsaktiven Extrakte kein intaktes Zytoskelett mehr. Frei in Lösung können die makromolekularen Enzymkomplexe sehr leicht dissoziieren und verlieren damit ihre Reaktionsfähigkeit. Die einzig zuverlässige Methode für die Konservierung von löslichen Zellextrakten nach dem gegenwärtigen Stand der Technik ist die Lagerung im tiefgefrorenen Zustand bei -80°-85°C. Trotzdem ist damit eine Reihe von Problemen verbunden. Beim Einfrieren verlieren die Zellextrakte aus Weizenkeimen, Retikulozyten, oder E. coli-Zellen einen Teil ihrer enzymatischen Aktivität, da durch die Bildung von Wasserkristallen viele Proteine irreversibel geschädigt werden (12). Mehrfaches Einfrieren und Auftauen der zellfreien Extrakte für aufeinanderfolgende Anwendungen führt bei Präparaten aus E. coli und Kaninchen-Retikulozyten zum vollständigen Verlust ihrer Aktivität, während sich nach eigenen Untersuchungen die Translationsaktivität von Weizenkeimextrakten um 30-50% nach jedem Einfrieren und Auftauen reduziert.Due to the different temperature requirements of -85 ° C, -20 ° C and 4 ° C, the technical effort for the storage and transport of the starting components of the Translation mixture high. Components 1 and 4 are only a few even at a constant -20 ° C Stable for months and then have to be replaced by fresh solutions. The dispatch of Cell extracts and the other reaction components in soluble form must be in dry ice to avoid thawing the sample. In this respect, storage is not unproblematic than having expensive freezers, usually with liquid nitrogen operated, with technically complex safeguards and alarm systems required. The most sensitive and most important part of reaction mixtures for in vitro Translation are the cell extracts because they are all the enzymatic components for the ribosomal Contain protein biosynthesis. The complex biochemical reaction sequence of the mRNA-controlled Polypeptide synthesis requires the cooperative interaction of a variety of enzymes Enzyme complexes and structural proteins with different structure and stability. Different to in cells where the proteins of the ribsomal translator are macromolecular complexes form, which is stabilized by interactions with the filamentous components of the cytoskeleton the cell-free active extracts no longer contain an intact cytoskeleton. Free in The macromolecular enzyme complexes can dissociate and lose solution very easily hence their responsiveness. The only reliable method for preserving Soluble cell extracts according to the current state of the art are stored in the frozen state at -80 ° -85 ° C. Nevertheless, there are a number of problems associated with this. When frozen, the cell extracts from wheat germ, reticulocytes, or E. coli cells lose part of their enzymatic activity because of the formation of water crystals many proteins  are irreversibly damaged (12). Multiple freezing and thawing of the cell-free extracts for successive applications leads to preparations from E. coli and Rabbit reticulocytes to completely lose their activity while undertaking their own Examines the translational activity of wheat germ extracts by 30-50% after each Freezing and thawing reduced.

Die Instabilität von zellfreien Extrakten gegenüber wiederholtem Einfrieren und Auftauen zwingt den Anwender zu einem unwirtschaftlichen Verbrauch dieser teuren Reaktionskomponenten. Für reproduzierbare Versuchsergebnisse darf jede Charge des translationsaktiven Zellextraktes nur einmal aufgetaut werden. Die Aktivitätsverluste bei der Lagerung im tiefgefrorenen Zustand sind höher, wenn man anstatt des hochkonzentrierten Zellextraktes das komplette anwendungsfertige Translationsgemisch einfriert. Bereits nach einmaligem Einfrieren und einer Woche Lagerung verliert ein komplettes Reaktionsgemisch etwa 60% der enzymatischen Aktivität, gemessen an der Endausbeute des Translationsproduktes, im Vergleich zu einem Reaktionsgemisch, das frisch aus den Einzelkomponenten zusammengestellt wurde. Offenbar spielt die Proteinkonzentration, die im unverdünnten Zellextrakt 3-4 mal höher ist als im fertigen Translationsgemisch, die entscheidende Rolle für die Stabilität der multienzymatischen Komponenten während des Einfrierens und im tiefgefrorenen Zustand.The instability of cell-free extracts against repeated freezing and thawing forces the user to an uneconomical consumption of these expensive reaction components. For reproducible test results are only allowed for each batch of the translationally active cell extract be thawed once. The activity losses during storage in the frozen state are higher if, instead of the highly concentrated cell extract, the complete, ready-to-use Translation mixture freezes. After just one freeze and one week of storage A complete reaction mixture loses about 60% of the enzymatic activity, measured on the final yield of the translation product compared to a reaction mixture that is fresh was put together from the individual components. Apparently the protein concentration plays which is 3-4 times higher in the undiluted cell extract than in the finished translation mixture, the crucial role for the stability of the multi-enzymatic components during the Freezing and frozen.

Ähnlich verhält sich die Stabilitätsproblematik bei anderen Reaktionsgemischen für die Synthese und Modifizierung von Nukleinsäuren. Selbst einmaliges Einfrieren in wäßriger Lösung deaktiviert RNS- und DNS-Polymerasen vollständig, so daß sie nur unter Zuhilfenahme von Kryoprotektoren als Einzelenzymlösungen stabil bei -20°C gelagert werden können. Üblicherweise verwendet man Glyzerin in einer Konzentration von mindestens 50% als Hilfsstoff, der die Bildung von schädlichen Wasserkristallen unterbindet. Aufgrund der notwendigen hohen Konzentration von Glyzerin, oder gegebenenfalls anderer Hilfsstoffe wie Dimethylsulfoxid, Polyethylenglycol oder Rinderserumalbumin, können Kryoprotektoren nicht für die Tiefkühllagerung von kompletten Reaktionsgemischen eingesetzt werden (12; 6). Die Viskosität der resultierenden Lösungen beeinträchtigt die Reaktionsfähigkeit der enzymatischen Komponenten und ist ein Problem für nachfolgende Analysen des Reaktionsgemisches. Bei Konzentrationen < 50% sinkt auch die Lagerstabilität der Enzyme bei -20°C.The stability problem with other reaction mixtures for synthesis is similar and modification of nucleic acids. Even freeze once in aqueous solution completely deactivates RNA and DNA polymerases so that they can only be used with the aid of Cryoprotectors as single enzyme solutions can be stored stably at -20 ° C. Glycerin is usually used in a concentration of at least 50% Excipient that prevents the formation of harmful water crystals. Due to the necessary high concentration of glycerin, or other auxiliary substances such as Dimethyl sulfoxide, polyethylene glycol or bovine serum albumin cannot do cryoprotectors can be used for the deep-freeze storage of complete reaction mixtures (12; 6). The Viscosity of the resulting solutions affects the reactivity of the enzymatic Components and is a problem for subsequent analyzes of the reaction mixture. At Concentrations <50% also reduce the storage stability of the enzymes at -20 ° C.

Überraschenderweise hat sich seit dem Erscheinen der ersten Veröffentlichungen über die zellfreie Proteinbiosynthese und posttranslationale Modifikation mitte der 70-iger Jahre wenig an der Technologie zur Herstellung und Konservierung von enzymatisch aktiven Zellextrakten geändert. Prinzipiell bietet sich zu dem bereits beschriebenen Stand der Technik die Alternative der Lagerstabilmachung durch Gefriertrocknung an. Diese Methode wird vor allem zur Stabilisierung von Liposomen und Membranfraktionen (6), Einzelenzympräparaten (1; 4; 8) oder von Reaktionsgemischen ohne Enzymkomponente (16) angewendet, wobei spezielle Zucker oder andere Polyole in Kombination mit bivalenten Metallionen oder Tensiden (13; 14; 15) die Denaturierung der Enzyme bzw. der Membranstrukturen durch den Wasserverlust verhindern. Als besonders effektiv zur Stabilisierung von Biomaterialien während der Gefriertrocknung hat sich der natürliche Zucker Trehalose erwiesen (19; 9; 10). Dieser Zucker wird von einigen Organismen, den sogenannten Cryptobionten, bei extremer Trockenheit in den Zellen angereichert, und sichert so die Überlebensfähigkeit dieser Organismen bei totalem Wasserverlust (17; 3).Surprisingly, since the appearance of the first releases on cell-free Protein biosynthesis and post-translational modification did little in the mid-1970s Technology for the production and preservation of enzymatically active cell extracts changed. In principle, there is the alternative to the already described prior art Storage stabilization by freeze drying. This method is mainly used for stabilization  of liposomes and membrane fractions (6), single enzyme preparations (1; 4; 8) or of Reaction mixtures without enzyme component (16) applied, with special sugars or other polyols in combination with bivalent metal ions or surfactants (13; 14; 15) Prevent denaturation of the enzymes or membrane structures from water loss. As has been particularly effective in stabilizing biomaterials during freeze drying the natural sugar trehalose has been proven (19; 9; 10). This sugar is from some organisms, the so-called cryptobionts, enriched in the cells in extreme dryness, and secures thus the survivability of these organisms with total water loss (17; 3).

WO 95/22605 A1, das ein Dokument mit älterem Zeitrang gemäß § 3,2 PatG ist, beschreibt die Stabilisierung von Proteinen des Blutplasmas durch Zucker, Serumalbumin und/oder Gelatine und Kaliumsalzen.WO 95/22605 A1, which is a document with an older seniority according to § 3.2 PatG the stabilization of proteins of the blood plasma by sugar, serum albumin and / or Gelatin and potassium salts.

Aus WO 93/00807 A1 ist ein Verfahren zur Stabilisierung von Biomaterial durch Lyophilisierung unter Verwendung zweier Additiva, nämlich eines Kryoprotektanten wie z. B. PEG und eines Zuckers, bekannt.WO 93/00807 A1 describes a method for stabilizing biomaterial Lyophilization using two additives, namely a cryoprotectant such. B. PEG and a sugar, known.

WO 93/00807 A2, EP 0 365 685 A1 und US 5 250 429 beschreiben Gefriertrocknungsverfahren oder gefriergetrocknete Produkte, bei denen Kohlenhydrate ggf. mit weiteren Zusätzen zur Stabilisierung eingesetzt werden.Describe WO 93/00807 A2, EP 0 365 685 A1 and US 5 250 429 Freeze-drying processes or freeze-dried products in which carbohydrates may can be used with other additives for stabilization.

Methoden zur Herstellung lagerstabiler, komplexer multienyzmatischer Reaktionsgemische, die zu den empfindlichsten und kompliziertesten Reaktionssystemen in der Molekularbiologie gehören, können diesen Dokumenten jedoch nicht entnommen werden, die lediglich Methoden zur Langzeitstabilisierung von Proteinen oder Proteingemischen beschreiben.Methods for the production of stable, complex multienyzmatic reaction mixtures, the most sensitive and complex reaction systems in molecular biology cannot be found in these documents, which are only Describe methods for long-term stabilization of proteins or protein mixtures.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist die Bereitstellung eines Herstellungsverfahrens, das die Nachteile des Standes der Technik bezüglich der stabilen Lagerung, des Transports sowie der anwendungsfertigen Aufbereitung von multienzymatischen Reaktionsgemischen für die Durchführung komplexer biochemischer bzw. molekularbiologischer Reaktionen vermeidet. Insbesondere soll das Verfahren auf eine Tiefkühlung der zu lagernden und zu transportierenden Proben verzichten können, sowie durch die Bereitstellung kompletter, d. h. bereits mit allen notwendigen Reaktionskomponenten versehenen Reaktionsgemische, den experimentellen Zeitaufwand für den Anwender erheblich reduzieren und die Reproduzierbarkeit erhöhen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und 10. Die Unteransprüche betreffen spezielle Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens.The object on which the present invention is based is the provision a manufacturing process that overcomes the disadvantages of the prior art in terms of stable Storage, transport and ready-to-use preparation of multi-enzymatic Reaction mixtures for the implementation of complex biochemical or molecular biological Avoids reactions. In particular, the method is intended to freeze the stored and can dispense with samples to be transported, and by providing complete, d. H. already provided with all necessary reaction components reaction mixtures, the Reduce experimental time expenditure for the user considerably and the reproducibility increase. The object is achieved by a method with the features of Claims 1 and 10. The subclaims relate to special embodiments of the inventive method.

Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik zur Verwendung von Trehalose als Stabilisator zum ersten dadurch, daß komplette und multienzymatische Reaktionsgemische mit vielen Proteinkomponenten und nicht Einzelenzyme bzw. Reaktionsteilgemische ohne enzymatische Komponenten lagerstabil und anwendungsfertig hergestellt werden können. Zweitens wurden Bedingungen gefunden, unter denen die Trehalose ohne weitere Hilfsstoffe ausreichende Lagerstabilität gewährleistet und zusätzlich die Reaktionsfähigkeit des multienzymatischen Reaktionsgemisches nach Rekonstituierung erhöht. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft multienzymatische Reaktionsgemische für die zellfreie Proteinbiosynthese (in-vitro Translation). Unter verschiedenen Bedingungen wurden 50 µl-Translationsgemische vakuumgetrocknet und in Wasser rekonstituiert. Die Reaktionsfähigkeit der so behandelten Reaktionsgemische wurde anhand der Translation von synthetischer Obelin-mRNA nachgewiesen. Obelin ist Lumineszensprotein mit einem Molekulargewicht von 20 kDa. Der Nachweis des Translationsproduktes erfolgte sowohl quantitativ über die Messung der TCA-fällbaren radioaktiv markierten Porteine aus 5 µl des Translationsgemisches, als auch qualitativ über die elektrophoretische Analyse im SDS-PAG mit anschließender Radioautographie, nach 2 Stunden Inkubation bei 25°C. Es zeigte sich, daß die Proteinkomponenten des translationsaktiven Zellextraktes während des Trocknungsprozesses vollständig denaturieren, unabhängig davon, ob sie vorher tiefgefroren wurden oder nicht. Die Proteine lösten sich nicht mehr aus dem lyophilisierten Rückstand in Wasser auf und verblieben als trüber Niederschlag im Reaktionsgemisch. Ein radioaktiv markiertes Translationsprodukt (Obelin) ließ sich nicht nachweisen (Abb. 1/A, Spur 4 und 8), obwohl TCA-fällbare radioaktiv markierte Proteine nachgewiesen werden konnten (Abb 1/B.). Dieser Effekt beruhte auf der unspezifischen Bindung des zur radioaktiven Markierung verwendeten [35S]L-Methionin an die denaturierten Porteine.The present invention differs from the prior art for using trehalose as a stabilizer for the first time in that complete and multi-enzymatic reaction mixtures with many protein components and not individual enzymes or reaction partial mixtures without enzymatic components can be prepared in a stable manner and ready for use. Secondly, conditions were found under which the trehalose guarantees sufficient storage stability without additional auxiliaries and additionally increases the reactivity of the multi-enzymatic reaction mixture after reconstitution. The method according to the invention relates to multi-enzymatic reaction mixtures for cell-free protein biosynthesis (in vitro translation). Under various conditions, 50 ul translation mixtures were vacuum dried and reconstituted in water. The reactivity of the reaction mixtures treated in this way was demonstrated by the translation of synthetic obelin mRNA. Obelin is a luminescent protein with a molecular weight of 20 kDa. The translation product was detected both quantitatively by measuring the TCA-precipitable radioactively labeled poreins from 5 μl of the translation mixture and qualitatively by means of electrophoretic analysis in SDS-PAG with subsequent radioautography, after 2 hours of incubation at 25 ° C. It was found that the protein components of the translationally active cell extract completely denature during the drying process, regardless of whether they were previously frozen or not. The proteins no longer dissolved from the lyophilized residue in water and remained in the reaction mixture as cloudy precipitate. A radiolabelled translation product (obelin) could not be detected ( Fig. 1 / A, lanes 4 and 8), although radioactively labeled proteins that could be precipitated by TCA could be detected (Fig. 1 / B.). This effect was based on the non-specific binding of the [ 35 S] L-methionine used for the radioactive labeling to the denatured poreins.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß bereits geringe Trehalosekonzentrationen (2,5% und 5%) ohne weitere Zusatzstoffe im Translationsgemisch ausreichen, die empfindlichen enzymatischen Komponenten des zellfreien Weizenkeimextraktes zumindest teilweise vor der Denaturierung während der Vakuumtrocknung und Rekonstituierung zu schützten (Abb. 1/A & 1/B). Der beste Effekt konnte mit einer Trehaloseendkonzentration von 10% erzielt werden. Etwa 84% der ursprünglichen Translationsaktivität, gemessen an der Syntheseausbeute, konnten im Vergleich zur Kontrollreaktion mit einem frisch angesetzten Reaktionsgemisch ohne Trehalose nach Lyophilisation und Rekonstituierung erhalten werden. Interessanterweiser ergab sich aus den ersten Experimenten, daß der Stabilisierungseffekt der Trehalose nicht proportional mit der Konzentration im Translationsgemisch korreliert. Surprisingly, it was found that even low trehalose concentrations (2.5% and 5%) without additional additives in the translation mixture are sufficient to at least partially protect the sensitive enzymatic components of the cell-free wheat germ extract from denaturation during vacuum drying and reconstitution ( Fig. 1 / A & 1 / B). The best effect could be achieved with a final trehalose concentration of 10%. About 84% of the original translation activity, measured in terms of the synthesis yield, could be obtained after lyophilization and reconstitution in comparison with the control reaction with a freshly prepared reaction mixture without trehalose. Interestingly, it emerged from the first experiments that the stabilizing effect of trehalose does not correlate proportionally with the concentration in the translation mixture.

In 25 µl-, 50 µl- und 100 µl-Reaktionsgemischen mit 10% Trehalose, die entweder lyophilisiert oder einfach vakuumgetrocknet wurden, wurde die Kinetik der Obelintranslation nach der Rekonstituierung in Wasser bestimmt und mit der Synthesekinetik in der Kontrollreaktion verglichen. Als Kontrollreaktion diente jeweils ein frisch angesetztes Translationsgemisch ohne Trehalose mit gleichem Reaktionsvolumen. Zur Bestimmung der Translationskinetik von Obelin wurden in bestimmten Zeitabständen 3 µl-Proben dem Translationsgemisch entnommen und darin die TCA-fällbare radioaktiv markierte Proteinfraktion quantifiziert (in cpm). Es zeigte sich, daß bei den 25 µl-Reaktionsansätzen die Kinetiken der Obelinsynthese in den unterschiedlich behandelten Translationsgemischen nicht signifikant voneinander bzw. von der Kinetik der Kontrollreaktion abwichen (Abb. 2). Das heißt mit an deren Worten, daß 25 µl- Translationsgemische ohne Verlust ihrer ursprünglichen Reaktionsfähigkeit lagerstabil durch Vakuumtrocknung gemacht bzw. rekonstituiert werden können, wobei es keine Rolle spielt, ob sie vorher in einem Alkohol/Trockeneisbad schockgefroren werden. In 25 µl, 50 µl and 100 µl reaction mixtures with 10% trehalose, which were either lyophilized or simply vacuum dried, the kinetics of obelin translation after reconstitution in water were determined and compared with the synthetic kinetics in the control reaction. A freshly prepared translation mixture without trehalose with the same reaction volume was used as the control reaction. In order to determine the translation kinetics of obelin, 3 µl samples were taken from the translation mixture at certain intervals and the TCA-precipitable radioactively labeled protein fraction was quantified therein (in cpm). It was shown that in the 25 µl reaction batches, the kinetics of the synthesis of the obelins in the differently treated translation mixtures did not differ significantly from one another or from the kinetics of the control reaction ( Fig. 2). In other words, that means that 25 µl translation mixtures can be made storage-stable by vacuum drying or reconstituted without losing their original reactivity, it being irrelevant whether they are quick-frozen in an alcohol / dry ice bath beforehand.

Im Gegensatz dazu beeinflußten bei 50 µl- und 100 µl-Translationsgemischen die Bedingungen der Lagerstabilmachung die Effektivität der Konservierung der Translationsaktivität (Abb. 3/A & 3B).In contrast, with 50 µl and 100 µl translation mixtures, the conditions of storage stabilization influenced the effectiveness of the preservation of the translation activity ( Fig. 3 / A & 3B).

Die Unterschiede sind sowohl im Verlauf der Kinetiken als auch in der Differenz der der Syntheseausbeute des radioaktiv markierten Translationsproduktes nach 2 Stunden Inkubation zu erkennen. Bei der Lagerstabilmachung der 50 µl Reaktionsgemische durch einfache Vakuumtrocknung (2,5 Stunden) gingen etwa 40% der ursprünglichen Translationsaktivität im Vergleich zur Kontrollreaktion verloren. Ein Einfrieren der Proben bei -50°C vor der Vakuumtrocknung (Lyophilisation) vermindert drastisch den Aktivitätsverlust der 50 µl- Translationsgemische während des Trocknungsprozesses. Die Translationsaktivität der rekonstituierten lyophilisierten Reaktionsgemische beträgt nahezu 100% im Vergleich zur Kontrollreaktion in einem frischen Translationsgemisch ohne Trehalose. Ähnlich verhält es sich mit den 100 µl-Translationsgemischen (Abb. 3/B). The differences can be seen both in the course of the kinetics and in the difference in the synthesis yield of the radioactively labeled translation product after 2 hours of incubation. When the 50 .mu.l reaction mixtures were made stable by simple vacuum drying (2.5 hours), about 40% of the original translation activity was lost in comparison with the control reaction. Freezing the samples at -50 ° C before vacuum drying (lyophilization) drastically reduces the loss of activity of the 50 µl translation mixtures during the drying process. The translational activity of the reconstituted lyophilized reaction mixtures is almost 100% compared to the control reaction in a fresh translation mixture without trehalose. The situation is similar with the 100 µl translation mixtures ( Fig. 3 / B).

Überraschenderweise stimulierte die Trehalose in der gleichen Konzentration, die auch die beste Konservierung der Reaktionsfähigkeit während der Lagerstabilmachung und Rekonstituierung gewährleistet, die in-vitro Translation in unbehandelten frisch angesetzten 50 µl- und 100 µl-Reaktionsgemischen (Abb. 3/A & 3/B). Die Syntheseausbeuten lagen etwa um 10-20% höher als in den entsprechenden Kontrollreaktionen ohne Trehalose. Ein positiver Effekt von Trehalose auf die ribosomale Proteinbiosynthese war bisher unbekannt. Für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Erhöhung der Translationsaktivität von zellfreien Extrakten durch Trehalose besonders relevant, da dadurch der Aktivitätsverlust von 10-20% (vergleiche die entsprechenden Kinetiken in Abb. 3/A & 3/B), der auch bei Lyophilisation der Translationsgemische eintritt, wieder ausgeglichen wird. So zeigen die rekonstituierten lagerstabilen Reaktionsgemische die gleiche Translationsaktivität wie die nach dem Stand der Technik aus Einzelkomponenten frisch zusammengestellten Translationsgemische ohne Trehalose.Surprisingly, the trehalose in the same concentration, which also ensures the best preservation of the reactivity during storage stabilization and reconstitution, stimulated the in vitro translation in untreated freshly prepared 50 µl and 100 µl reaction mixtures ( Fig. 3 / A & 3 / B ). The synthesis yields were about 10-20% higher than in the corresponding control reactions without trehalose. A positive effect of trehalose on ribosomal protein biosynthesis was previously unknown. The increase in the translational activity of cell-free extracts by trehalose is particularly relevant for the method according to the invention, since this results in a loss of activity of 10-20% (compare the corresponding kinetics in Fig. 3 / A & 3 / B), which also occurs when the translation mixtures are lyophilized , is balanced again. For example, the reconstituted storage-stable reaction mixtures have the same translation activity as the translation mixtures without trehalose, which are composed of individual components according to the prior art.

Ein entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Lagerstabilität der lyophilisierten anwendungsfertigen Reaktionsgemische. Es wurden mehrere komplette 100 µl- Translationsgemische unter Zugabe von 10% Trehalose lyophilisiert, dann luftdicht verschlossen und 1 bzw. 2 Wochen bei 4°-8°C im normalen Kühlschrank, bzw. bei Raumtemperatur (25°C) aufbewahrt. Danach wurden die lyophilisierten Reaktionsgemische wieder in Wasser rekonstituiert, die Kinetik der Obelintranslation bestimmt und mit Translationskinetik in einem frischen Reaktionsgemisch verglichen (Abb. 4). Die Ergebnisse demonstrieren, daß die Translationsaktivität der lagerstabil gemachten Reaktionsgemische nicht durch die Lagerung bei 4-8°C beeinträchtigt werden. Die Lagerung der lyophilisierten Translationsgemische bei RT führte allerdings zu einem starken Abfall der Reaktionsfähigkeit. Die Ursache dafür besteht darin, daß die hygroskopischen Azetat-Salze aus dem Translationspuffer nicht in die amorphe Glasmasse der Trehalose eingeschlossen werden, sondern sich als flockiger Rückstand darüber ablagern. Dieser Rückstand zieht das Wasser aus der darüber liegenden Luftsäule an, so daß das getrocknete Translationsgemisch durchfeuchtet wird. Ein zu hoher Wassergehalt und eine Lagertemperatur < 10°C setzt enzymatische Abbauprozesse in Gang, die instabile Substrate wie ATP und GTP und auch empfindliche enzymatische Komponenten deaktivieren. Dadurch verloren die getrockneten Translationsgemische bereits nach einer Woche Lagerzeit bei Raumtemperatur bis zu 70% ihrer Ausgangsaktivität. Dieser Aktivitätsverlust konnte nicht durch Zugabe von frischem ATP und GTP bei der Rekonstitution des Translationsgemisches ausgeglichen werden. Erfindungsgemäß kann dieses Problem gelöst werden, indem die lyophilisierten Reaktionsgemische mit einem inerten Gas überschichtet werden. A decisive advantage of the process according to the invention is the storage stability of the lyophilized, ready-to-use reaction mixtures. Several complete 100 ul translation mixtures were lyophilized with the addition of 10% trehalose, then sealed airtight and stored for 1 or 2 weeks at 4 ° -8 ° C. in a normal refrigerator or at room temperature (25 ° C.). The lyophilized reaction mixtures were then reconstituted in water, the kinetics of obelin translation were determined and compared with translation kinetics in a fresh reaction mixture ( Fig. 4). The results demonstrate that the translation activity of the reaction mixtures which have been made stable in storage is not impaired by storage at 4-8 ° C. Storage of the lyophilized translation mixtures at RT, however, led to a sharp drop in reactivity. The reason for this is that the hygroscopic acetate salts from the translation buffer are not included in the amorphous glass mass of the trehalose, but are deposited as a fluffy residue. This residue attracts the water from the air column above, so that the dried translation mixture is moistened. Too high a water content and a storage temperature of <10 ° C sets in motion enzymatic degradation processes that deactivate unstable substrates such as ATP and GTP and also sensitive enzymatic components. As a result, the dried translation mixtures lost up to 70% of their initial activity after just one week of storage at room temperature. This loss of activity could not be compensated for by adding fresh ATP and GTP when reconstituting the translation mixture. According to the invention, this problem can be solved by overlaying the lyophilized reaction mixtures with an inert gas.

Das erfindungsgemäß Verfahren ermöglicht so die anwendungsfertige Aufbereitung von nativen und artifiziellen enzymatisch aktiven Proteingemischen mit Reaktionspuffern, Cofaktoren und Substraten.The method according to the invention thus enables ready-to-use preparation of native and artificial enzymatically active protein mixtures with reaction buffers, Cofactors and substrates.

Erfindungsgemäß wurden die nativen oder artifiziellen enzymatisch aktiven Proteingemische mit allen für ihre Verwendung notwendigen Reaktionskomponenten, die enzymatische und nichtenzymatische Cofaktoren, Enzymsubstrate, Nukleotide und Nukleoside oder deren Oligomere, Proteine, Peptide, Thiolverbindungen, RNS, DNS sowie Derivate von diesen Substanzen einzeln oder in Kombination sind, und mit einem Stabilisierungsmittel, das ein chemisch inerter Zucker oder ein Zuckergemisch ist, der oder das im getrockneten Zustand eine amorphe Glasmasse mit einem Restwassergehalt von ≦ 0,2 g H2O/g Trockenmasse bildet, in wäßriger Lösung kombiniert, wobei die Konzentration des Stabilisierungsmittels in dem Gemisch in wäßriger Lösung zwischen ≧ 5 Gew.-% und ≦ 10 Gew.-% liegt. Danach wurden sie einer Vakuumtrocknung unterzogen.According to the invention, the native or artificial enzymatically active protein mixtures with all the reaction components necessary for their use, the enzymatic and non-enzymatic cofactors, enzyme substrates, nucleotides and nucleosides or their oligomers, proteins, peptides, thiol compounds, RNA, DNA and derivatives of these substances, individually or in combination are, and combined with a stabilizing agent, which is a chemically inert sugar or a sugar mixture, which or in the dried state forms an amorphous glass mass with a residual water content of ≦ 0.2 g H 2 O / g dry mass, in aqueous solution, the Concentration of the stabilizing agent in the mixture in aqueous solution is between ≧ 5% by weight and ≦ 10% by weight. They were then subjected to vacuum drying.

Gegebenenfalls erfolgt anschließend eine Überschichtung mit inertem Gas oder mineralischem Öl.If necessary, there is then an overlay with inert gas or mineral oil.

Die so erhaltenen lagerstabilen Reaktionsgemische werden erfindungsgemäß nach Rekonstituierung in Wasser durch Zuführung von anwenderspezifischen Schlüsselkomponenten je nach gewünschter enzymatischer Reaktion für die Synthese, Modifizierung oder Analyse von Polypeptiden oder gegebenenfalls Nukleinsäuren eingesetzt.The storage-stable reaction mixtures thus obtained are according to the invention Reconstitution in water by adding user-specific Key components depending on the desired enzymatic reaction for the synthesis, Modification or analysis of polypeptides or optionally nucleic acids used.

Die erfindungsgemäß hergestellten komplexen multienzymatischen Reaktionsgemische haben den Vorteil, daß sie bei 0-10°C oder gegebenenfalls nach Überschichtung mit einem inerten Gas bei Umgebungstemperatur (20-30°C) stabil gelagert und transportiert werden können. Dadurch entfällt der technisch und finanziell hohe Aufwand für die Anschaffung und Unterhaltung einer Tiefkühlausrüstung, wie sie nach dem herkömmlichen Stand der Technik notwendig ist. Ihr zweiter entscheidender Vorteil besteht darin, daß sie anwendungsfertig mit allen notwendigen Reaktionskomponenten aufbereitet sind, so daß der Anwender die gewünschte Reaktion nur durch die Zugabe einer, maximal von zwei, Schlüsselkomponenten starten kann. Das ermöglicht die Umgehung der Nachteile des Standes der Technik bezüglich:
The complex multi-enzymatic reaction mixtures produced according to the invention have the advantage that they can be stored and transported stably at 0-10 ° C. or, if appropriate, after being overlaid with an inert gas at ambient temperature (20-30 ° C.). This eliminates the technically and financially high expenditure for the purchase and maintenance of freezer equipment, as is necessary according to the conventional state of the art. Their second decisive advantage is that they are prepared ready for use with all the necessary reaction components, so that the user can only start the desired reaction by adding one, a maximum of two, key components. This enables the disadvantages of the prior art to be circumvented with regard to:

  • - der simultanen Durchführung einer großen Zahl von Parallelversuchen,- the simultaneous execution of a large number of parallel experiments,
  • - einer hohen Reproduzierbarkeit der enzymatischen Reaktionen,- high reproducibility of the enzymatic reactions,
  • - eines minimalen Zeitaufwandes zur Versuchsvorbereitung,- a minimal expenditure of time for the test preparation,
  • - der Vermeidung von Fehlern bei Komposition von Reaktionsgemischen aus vielen Komponenten,- the avoidance of errors in the composition of reaction mixtures from many Components,
  • - der Automatisierung komplexer biochemischer multienzymatischer Reaktionsabläufe.- the automation of complex biochemical multi-enzymatic reaction processes.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an example.

Ausführungsbeispiel:Design example: 1. Herstellung eines translationsaktiven Reaktionsgemisches auf der Basis eines Weizenkeimlysats unter Verwendung des Stabilisierungsmittels Trehalose1. Production of a translation-active reaction mixture on the basis a wheat germ lysate using the stabilizing agent Trehalose 1.1 Herstellung eines anwendungsfertigen lagerstabilen Translationsgemisches aus Einzelkomponenten1.1 Production of a ready-to-use, storage-stable translation mixture Individual components

Auf einem Eisbad bei 0°-4°C wird das anwendungsfertige Translationsgemisch in einem 1.5 ml Eppendorf-Reaktionsgefäß aus folgenden Einzelkomponenten zusammenpipettiert:
The ready-to-use translation mixture is pipetted together in a 1.5 ml Eppendorf reaction tube from the following individual components on an ice bath at 0 ° -4 ° C:

  • a) 4 µl Mastermix, bestehend aus 312 mM HEPES-KOH pH 7.6, 12.5 mM ATP, 1.25 mM GTP, 100 mM Kreatinphosphat, 3.12 mM und 25 mM DTT;a) 4 ul master mix, consisting of 312 mM HEPES-KOH pH 7.6, 12.5 mM ATP, 1.25 mM GTP, 100mM creatine phosphate, 3.12mM and 25mM DTT;
  • b) 2 µl Aminosäuremix, bestehend aus 2.5 mM von 19 natürlichen L-Aminosäuren ohne L- Methionin (Alternativ dazu kann auch L-Leucin oder L-Lysin fehlen, je nachdem welche der Aminosäuren zur Markierung des Translationsproduktes eingesetzt wird.);b) 2 µl amino acid mix, consisting of 2.5 mM of 19 natural L-amino acids without L- Methionine (Alternatively, L-leucine or L-lysine may be absent, depending on which of the Amino acids are used to label the translation product.);
  • c) 16 µl Translationspuffer, bestehend aus 120 mM K-azetat, 5 mM Mg-azetat und 30 Gew.- % Trehalose;c) 16 µl translation buffer, consisting of 120 mM K acetate, 5 mM Mg acetate and 30 wt. % Trehalose;
  • d) 3 µl RNase-freies Wasser (Millipore-18 MΩ);d) 3 µl RNase-free water (Millipore-18 MΩ);
  • e) 2 µl Kreatinphosphokinase-Lösung (1.125 mg/ml);e) 2 µl creatine phosphokinase solution (1,125 mg / ml);
  • f) 2 µl Hefe-tRNS (125 mg/ml);f) 2 µl yeast tRNA (125 mg / ml);
  • g) 2 µl RNase-Inhibitor (40-200 U);g) 2 µl RNase inhibitor (40-200 U);
  • h) 16 µl Weizenkeimextrakt, bestehend aus Weizenkeimlysat mit einer Konzentration von 90 A280/ml, 40 mM HEPES-KOH pH 7.6, 120 mM K-azetat, 5 mM Mg-azetat und 6 mM DTT.h) 16 ul wheat germ extract, consisting of wheat germ lysate with a concentration of 90 A 280 / ml, 40 mM HEPES-KOH pH 7.6, 120 mM K-acetate, 5 mM Mg acetate and 6 mM DTT.

Das Endvolumen des fertigen Translationsgemisches beträgt 50 µl. Für die Herstellung von 25 bzw. 100 µl Translationsgemischen müssen die Volumina der Ausgangskomponenten proportional verkleinert oder vergrößert werden.The final volume of the finished translation mixture is 50 µl. For the production of 25 or 100 µl translation mixtures must be the volumes of the starting components be proportionally reduced or enlarged.

1.2 Lagerstabilmachung der Translationsgemische1.2 Storage stability of the translation mixtures

Die Komponenten der Translationsgemische werden vorsichtig im Reaktionsgefäß durchmischt und durch eine Impulszentrifugation am Boden des Gefäßes gesammelt. Unmittelbar danach werden die Reaktionsgefäße mit den Translationsgemischen bei geöffnetem Deckel in einem Alkohol/Trockeneisbad (-50°C) schockgefroren. Nach einer weiteren Minute werden die Reaktionsgefäße in eine Zentrifuge mit angeschlossener Vakuumpumpe und Kühlfalle (SpeedVac oder vergleichbare Geräte) übertragen und bei konstant 30°C vakuumgetrocknet. Translationsgemische mit einem Endvolumen ≦ 30 µl werden ohne vorheriges Schockfrieren vakuumgetrocknet. Die Zentrifugation während der Vakuumtrocknung sorgt dafür, daß sich die enzymatischen und nichtenzymatischen Komponenten des Translationsgemisches am Boden des Reaktionsgefäßes sammeln und tropfenförmig in die glasartige Masse der Trehalose versintert werden.The components of the translation mixtures are carefully mixed in the reaction vessel and collected by pulse centrifugation at the bottom of the vessel. Immidiatly after are the reaction vessels with the translation mixtures in an open lid  Alcohol / dry ice bath (-50 ° C) snap frozen. After another minute, the Reaction tubes in a centrifuge with a connected vacuum pump and cold trap (SpeedVac or comparable devices) transferred and vacuum dried at a constant 30 ° C. Translation mixtures with a final volume of µ 30 µl can be frozen without prior shock vacuum dried. Centrifugation during vacuum drying ensures that the enzymatic and non-enzymatic components of the translation mixture on the ground of the reaction vessel and drop-shaped into the glassy mass of the trehalose be sintered.

Nach 2.5 bis 3 Stunden wird der Trocknungsprozeß beendet, indem man die Vakuumzentrifuge vorsichtig belüftet. Der Lufteinlaß an der Zentrifuge ist mit einem Sterilfilter zu versehen, um die Kontamination der getrockneten Reaktionsgemische mit mikrobiellen Keimen zu verhindern. Die Reaktionsgefäße mit den eingetrockneten Translationsgemischen werden unter sterilen Bedingungen aus der Zentrifuge entfernt und unmittelbar danach luftdicht verschlossen.After 2.5 to 3 hours, the drying process is ended by the Vacuum centrifuge carefully ventilated. The air inlet on the centrifuge is with a Sterile filter to provide the contamination of the dried reaction mixtures with to prevent microbial germs. The test tubes with the dried ones Translation mixtures are removed from the centrifuge under sterile conditions and immediately sealed airtight.

In diesem Zustand werden die getrockneten Translationsgemische bei 0°C-10°C im Kühlschrank stabil gelagert. Zur Lagerung bei Temperaturen zwischen 20°-30°C werden die getrockneten Reaktionsgemische mit Stickstoff oder einem anderen inerten Gas, unmittelbar nachdem die noch offenen Reaktionsgefäße aus der Vakuumzentrifuge entnommen wurden, überschichtet.In this state, the dried translation mixtures at 0 ° C-10 ° C in Refrigerator stably stored. For storage at temperatures between 20 ° -30 ° C the dried reaction mixtures with nitrogen or another inert gas, immediately after removing the still open reaction vessels from the vacuum centrifuge were overlaid.

1.3 Rekonstituierung der vakuumgetrockneten Translationsgemische und Durchführung der in-vitro Translation1.3 Reconstitution of the vacuum-dried translation mixtures and implementation in vitro translation

Vor der Durchführung der in-vitro Translation werden die vakuumgetrockneten Reaktionsgemische mit Wasser in Lösung gebracht. Zunächst werden die vakuumgetrockneten Translationsgemische auf Eis gestellt. In Abhängigkeit vom jeweiligen Reaktionsendvolumen werden genau definierte Volumen Wasser auf die vakuumgetrockneten Rückstände pipettiert. Für einen 50 µl-Translationsansatz entspricht das einem Volumen von 32 µl, für 25 µl- und 100 µl-Translationsansätze entsprechend 16 µl und 64 µl. Durch vorsichtiges Mischen wird der glasartige Trehalosetropfen mit den Reaktionskomponenten vollständig aufgelöst. Während der Auflösung sollten die Translationsgemische von Zeit zu Zeit immer wieder auf Eis gestellt werden, um sie kühl zu halten. Insgesamt nimmt die Überführung der lagerstabilen Translationsgemische in Lösung nicht mehr als 5 Minuten ein. Before carrying out the in vitro translation, the vacuum dried ones Reaction mixtures brought into solution with water. First, the vacuum dried Translation mixtures put on ice. Depending on the respective final reaction volume exactly defined volumes of water are pipetted onto the vacuum-dried residues. For a 50 µl translation batch, this corresponds to a volume of 32 µl, for 25 µl and 100 µl translation approaches corresponding to 16 µl and 64 µl. By carefully mixing the glassy trehalose drops with the reaction components completely dissolved. While From time to time, the translation mixtures should always be put on hold to dissolve them to keep them cool. Overall, the transfer of the storage-stable Translation mixtures in solution no more than 5 minutes.  

Die Translationsreaktion wird durch die Zugabe von 4 µl (1 µg/µl) mRNS-Lösung, bzw. entsprechend 2 oder 8 µl mRNS-Lösung für die Reaktionsvolumina 25 und 100 µl, und 1 µl bzw. 0.5 oder 2 µl [35S]L-Methionin 1000 Ci/mmol gestartet. Die angegebenen Mengen der mRNS beziehen sich auf das im Fallbeispiel translatierte Lumineszenzenzym Obelin. Für andere Proteine muß die optimale mRNS-Menge jeweils empirisch in Titrationsversuchsreihen im Bereich von 1-10 µg für einen 50 µl Translationsansatz bestimmt werden, wobei aber das Volumen der zugegebenen RNS-Lösung konstant bleiben muß. Nach der Zugabe der mRNS und der radioaktiv-markierten Aminosäure werden die Translationsgemische kurz durchmischt, durch eine Impulszentrifugation am Boden des Gefäßes gesammelt, und dann bei 25°C in einem Thermostaten inkubiert. Nach 0, 15, 30, 60, 90, 120 und 180 Minuten werden jeweils 2 µl- Proben den Reaktiongemischen entnommen, auf Filterscheiben aus Whatman 3MM- Chromatographiepapier aufgetropft und an der Luft getrocknet. Der Nachweis des radioaktiv markierten Translationsproduktes Obelin erfolgt auf herkömmliche Weise durch eine Trichloressigsäurefällung der Proben auf dem Filterpapier und anschließender Waschung der gefällten Proben in eisgekühlter 5% Trichloressigsäure und Aceton. Zur Bestimmung der säurefällbaren Radioaktivität (in cpm) als Maß für die Menge des synthetisierten Translationsproduktes werden dann die Filterscheiben mit den behandelten Proben in 3 ml eines entsprechenden Scintillationsgemisches getaucht und auf einem entsprechenden Scintillationscounter vermessen. Die Entnahme von Proben aus dem Translationsgemisch zu verschiedenen Zeitpunkten ermöglicht die Bestimmung der Kinetik des Translationsprozesses. Alternativ dazu kann der Nachweis des Translationsproduktes auch qualitativ durchgeführt werden, indem die Proben auf einem 12% SDS-PAG aufgetrennt und das markierte Translationsprodukt anschließend durch direkte Radioautographie mit einem Röntgenfilm nachgewiesen wird.The translation reaction is achieved by adding 4 µl (1 µg / µl) mRNA solution, or correspondingly 2 or 8 µl mRNA solution for the reaction volumes 25 and 100 µl, and 1 µl or 0.5 or 2 µl [ 35 S] L-methionine 1000 Ci / mmol started. The stated amounts of the mRNA relate to the luminescent enzyme obelin translated in the case example. For other proteins, the optimal amount of mRNA must be determined empirically in titration test series in the range of 1-10 µg for a 50 µl translation batch, but the volume of the RNA solution added must remain constant. After the addition of the mRNA and the radioactively labeled amino acid, the translation mixtures are mixed briefly, collected by pulse centrifugation at the bottom of the vessel, and then incubated at 25 ° C. in a thermostat. After 0, 15, 30, 60, 90, 120 and 180 minutes, 2 µl samples are taken from the reaction mixtures, dropped onto filter disks made of Whatman 3MM chromatography paper and air-dried. The radioactively labeled translation product obelin is detected in a conventional manner by precipitation of the samples on the filter paper and subsequent washing of the precipitated samples in ice-cooled 5% trichloroacetic acid and acetone. To determine the acid-precipitable radioactivity (in cpm) as a measure of the amount of the synthesized translation product, the filter disks with the treated samples are then immersed in 3 ml of a corresponding scintillation mixture and measured on a corresponding scintillation counter. Taking samples from the translation mixture at different times enables the kinetics of the translation process to be determined. Alternatively, the detection of the translation product can also be carried out qualitatively by separating the samples on a 12% SDS-PAG and then detecting the labeled translation product by direct radioautography with an X-ray film.

Translationsgemische ohne Trehalose für die Kontrollreaktion zum Nachweis des Einflusses des Stabilisierungsmittels auf die Translationsaktivität und Lagerstabilität der Translationsgemische werden entsprechend dem obigen Schema angesetzt, allerdings unter Verwendung eines Translationspuffers (Komponente c) ohne Trehalose. Translation mixtures without trehalose for the control reaction to demonstrate the influence of the stabilizing agent on the translational activity and storage stability of the Translation mixtures are set up according to the scheme above, but under Use of a translation buffer (component c) without trehalose.  

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Claims (13)

1. Verfahren zur Herstellung komplexer multienzymatischer lagerstabiler Reaktionsgemische zum Einsatz in biochemischen oder molekularbiologischen Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man
native oder artifizielle enzymatisch aktive Proteingemische
mit allen für ihre Verwendung notwendigen Reaktionskomponenten, die enzymatische und nichtenzymatische Cofaktoren, Enzymsubstrate, Nukleotide und Nukleoside oder deren Oligomere, Proteine, Peptide, Thiolverbindungen, RNS, DNS sowie Derivate von diesen Substanzen einzeln oder in Kombination sind, und
mit einem Stabilisierungsmittel, das ein chemisch inerter Zucker oder ein Zuckergemisch ist, der oder das im getrockneten Zustand eine amorphe Glasmasse mit einem Restwassergehalt von ≦ 0,2 g H2O/g Trockenmasse bildet,
in wäßriger Lösung kombiniert, wobei die Konzentration des Stabilisierungsmittels in dem Gemisch in wäßriger Lösung zwischen ≧ 5 Gew.-% und ≦ 10 Gew.-% liegt, und anschließend einer Vakuumtrocknung unterzieht.
1. A process for the preparation of complex multi-enzymatic storage-stable reaction mixtures for use in biochemical or molecular biological processes, characterized in that
native or artificial enzymatically active protein mixtures
with all reaction components necessary for their use, which are enzymatic and non-enzymatic cofactors, enzyme substrates, nucleotides and nucleosides or their oligomers, proteins, peptides, thiol compounds, RNA, DNA as well as derivatives of these substances individually or in combination, and
with a stabilizing agent, which is a chemically inert sugar or a sugar mixture, which, when dried, forms an amorphous glass mass with a residual water content of ≦ 0.2 g H 2 O / g dry mass,
combined in aqueous solution, the concentration of the stabilizing agent in the mixture in aqueous solution being between ≧ 5% by weight and ≦ 10% by weight, and then subjected to vacuum drying.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß native enzymatisch aktive Proteingemische Zellextrakte oder Fraktionen aus diesen sind.2. The method according to claim 1, characterized in that native enzymatically active protein mixtures are cell extracts or fractions from these. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß artifizielle enzymatisch aktive Proteingemische eine Mischung aus vorgereinigten Einzelenzymen, Cofaktoren und gegebenenfalls Strukturproteinen sind.3. The method according to claim 1, characterized in that artificial enzymatically active protein mixtures a mixture of pre-cleaned Individual enzymes, cofactors and optionally structural proteins. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Stabilisierungsmittel Trehalose ist und die Vakuumtrocknung bei gleichzeitiger Zentrifugation erfolgt.4. The method according to claim 1, characterized in that the stabilizing agent is trehalose and the vacuum drying at the same time Centrifugation takes place. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumtrocknung in einer handelsüblichen Vakuumzentrifuge bei 30°C bis zu einem Restwassergehalt von 0,2 g H2O/g, mindestens aber 2,5 Stunden, durchgeführt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the vacuum drying is carried out in a commercially available vacuum centrifuge at 30 ° C to a residual water content of 0.2 g H 2 O / g, but at least 2.5 hours. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gemische mit einem Volumen ≧ 30 µl vor der Vakuumtrocknung eingefroren werden. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that Mix with a volume of ≧ 30 µl before vacuum drying.   7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einfrieren bei -50°C in einem Alkohol/Trockeneisbad oder in flüssigem Stickstoff bei -80°C erfolgt.7. The method according to claim 6, characterized in that freezing at -50 ° C in an alcohol / dry ice bath or in liquid nitrogen -80 ° C. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gemische unmittelbar nach der Vakuumtrocknung mit einem Inertgas oder mineralischen Öl überzogen werden.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the mixtures immediately after vacuum drying with an inert gas or mineral oil are coated. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als inerte Gase Stickstoff, Helium oder Argon eingesetzt werden.9. The method according to claim 8, characterized in that nitrogen, helium or argon can be used as inert gases. 10. Verwendung der komplexen multienzymatischen lagerstabilen Reaktionsgemische nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Synthese, Modifizierung oder Analyse von Polypeptiden oder Nukleinsäuren nach Rekonstitution in Wasser, wobei jeweils eine oder mehrere spezifische Schlüsselkomponenten hinzugegeben werden.10. Use of the complex multi-enzymatic storage-stable reaction mixtures according to one of claims 1 to 9 for the synthesis, modification or analysis of Polypeptides or nucleic acids after reconstitution in water, one or each several specific key components can be added. 11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlüsselkomponenten radioaktiv- bzw. nichtradioaktiv-markierte Aminosäuren oder deren entsprechende aminoacylierten tRNS-Moleküle, radioaktiv- bzw. nichtradioaktiv- markierte Nukleotide oder auch deren Derivate oder Oligomere, natürliche oder artifizielle Boten-RNS, DNS verschiedenen Ursprungs oder Kombinationen aus den obigen Substanzen sind.11. Use according to claim 10, characterized in that the key components of radioactive or non-radioactive labeled amino acids or their corresponding aminoacylated tRNA molecules, radioactive or non-radioactive labeled nucleotides or their derivatives or oligomers, natural or artificial Messenger RNA, DNA of various origins, or combinations of the above Are substances. 12. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11 für die zellfreie ribosomale Proteinbiosynthese und für die posttranslationale Modifikation von Peptiden, Polypeptiden und Proteinen.12. Use according to claim 10 or 11 for cell-free ribosomal protein biosynthesis and for the post-translational modification of peptides, polypeptides and proteins. 13. Verwendung nach Anspruch 10 oder 11 für die Replikation, reverse oder nichtreverse Transkription, Anreicherung oder Modifizierung von Nukleinsäuren.13. Use according to claim 10 or 11 for replication, reverse or non-reverse Transcription, enrichment or modification of nucleic acids.
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