DE2655265B2 - Verfahren zur automatischen Vorbereitung von aus Zellsuspensionen bestehenden Proben zum Zwecke der nachfolgenden Bestimmung intra- und/oder extrazellulärer Stoffe durch eine kontinuierlich aufeinanderfolgende Behandlung einer Mehrzahl von Proben - Google Patents

Description

Die Kontrolle, Optimierung und Steuerung biotech-

nologischer Prozesse, insbesondere solche, die mit dem mikrowellen Wachstum verknüpft sind, erfordern die laufende Messung der Konzentrationen intra- und extrazellulärer organischer und anorganischer Substrate, Produkte und Intermediärmetaboliten.

Soweit Vorrichtungen zur Bestimmung intra- und extrazellulärer Stoffe bekannt sind, bedürfen diese eines manuellen Probetransfers vom Reaktor zum Analysensystem und zur Bestimmung intrazellulärer Stoffe zusätzlicher Manipulationen wie eimjn Zellaufschluß und einer Abtrennung der extrahierten Organismen in einer Zentrifuge.

Diese Vorrichtungen haben den Nachteil, daß vor der sterilen Probenahme bis nach der Zentrifugation zeitaufwendige, arbeitsintensive, längere und schwierig reproduzierbare Arbeitsschritte notwendig sind.

Es wird dadurch die Analysenfrequenz und die Reproduzierbarkeit verringert, besonders für Metaboliten mit hohen Umsitzraten in der Zelle, die bei manueller Probenahme und Probeaufbereitung stärkere

Konzentrationsänderung erleiden.

Es ist Aufgabe der Erfindung zur automatischen Vorbereitung von aus Zellsuspensionen bestehenden Proben zum Zweck der nachfolgenden Bestimmung intra- und/oder extrazellulärer Stoffe eine kontinuier-

■>' lieh aufeinanderfolgende Behandlung einer Mehrzahl von Proben mittels bestimmter Verfahrensstufen und Maßnahmen durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch I beschriebene Verfahren gelöst. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist im Patentanspruch 8 beschrieben. Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 bis 7 bzw. 9 bis 11. Unter einer »automatischen Vorbereitung« von aus Zellsuspensionen bestehenden Proben versteht der Fachmann, daß aus Organismen wie Bakterien, Hefen, Pilzen, pflanzlichen und tierischen Zellen in Submerskulturen intrazelluläre Stoffe, gegebenenfalls nach Aus-

tausch oder Verdünnung des sie umgebenden wäßrigen oder nichtwäßrigen Mediums durch bekannte Verfahren wie Ultraschall, erhöhte Schubspannungen, erhöhte Temperaturen, enzymatisch oder chemisch vollständig oder teilweise, jedoch in reproduzierbaren Anteilen in das Medium in Lösung oder Suspension gebracht werden.

Unter »homogener Probe« nach dem Verfahren rier Erfindung wird ein repräsentatives Teilvolumen einer Zellsuspension beispielsweise aus einem Reaktor verstanden.

Die Entflockulierung erfolgt beispielsweise durch ein Kaskadenkapillarrohr (1), so daß die durch eine Pumpe (16) durch die Kapillaren geförderte Probe Schubspannungen einer bestimmten Größe unterworfen wird, die die flockulierten Bakterien und Hefen reversibel homogenisiert und praktisch den Aggregationszustand soweit herabsetzt, daß repräsentative Teilströme für die weitere Analyse gewonnen werden können, in denen mit Hilfe geeigneter Photometer mit Durciiflußküvette in bekannter Weise die Trübung der Suspension gemessen werden kann, ohne daß durch Flockenbildung das Signal stark verrauscht ist und eine reproduzierbare Beziehung zum Feststoffanteil nicht mehr gegeben ist. Die Abtrennung größrerer Teilchen entsprechend der Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird im allgemeinen durch ein rückgespültes Filter (15) mit kleinem Totvolumen erreicht.

Nach dem Verfahren der Erfindung können nach der Fest/Flüssig-Trennung sowohl intra- wie auch extrazelluläre Stoffe im klaren Überstand bestimmt werden. Wenn intra- und extrazelluläre Stoffe identisch sind, kann deren Summe bestimmt werden; sind diese qualitativ verschieden, so können diese durch verschiedene Analysensysteme getrennt bestimmt werden. Eine getrennte Bestimmung eines identischen, sowohl intrawie extrazellulär vorhandenen Stoffes wird durch die Weiterbildung des Verfahrens gemäß Anspruch 4 nach Durchlaufen der Verfahrensstufe (2) der extrazelluläre Stoff im klaren Überstand bestimmt werden kann. Der intrazelluläre Stoff kann dann in der Festphase bestimmt werden, indem diese in einer geeigneten flüssigen Phase resuspendiet und danach durch thermische, mechanische oder chemische Behandlung der Inhaltsstoffe in Lösung gebracht wird.

Das Verfahren der Erfindung wird durch das nachfolgende Beispiel der quantitativen Bestimmung intrazellulären Adenosintriphosphats anhand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. Die Z'ffern der Figuren sind außerdem aufgelistet.

Erläuterung der Ziffern in den F i g. 1 bis 3

1 Kaskadenkapilia.rohr

2 sinusförmige Innenwand

3 kleinster Innendurchmesser von (1)

4 größter Innendurchmesser von (1)

5 untere Innenwand von (6)

6 Rotor von (7)

7 zonale Zentrifuge

8 Drehachse von (7)

9 Innendurchmesser von (6)

10 Spitzen von (6)

11 axiales Innenrohr von (12)

12 Doppelmantelrohr

14 Düsen von (12)

15 Filter

16 peristaltische Pumpe

17 Kanüle

18 desinfizierende und reinigende Flüssigkeit, Desinfektionslösung

19 steriler Bereich von (20) 20 Bioreaktor

21 Vorratsbehälter für (18)

22 Reaktionspuffer

23 Autobürette

24 Glasschlange

in 25 Extraktionsgefäß

26 Vorratsbehälter von (22)

27 Wasserbad

28 Luciferin/Luciferase-Lösung

29 Alkoholbad

π 30 Photodetektor

31 Sekundärelektronenvervielfacher

32 Vorratsbehälter von (28)

33 Schreiber

Aus einem Bioreaktor (20) wird eine Probe entnommen, bestehend aus einer Suspension von dem Bakterium Methylomonas sp. DSM 580 (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen, Göttingen), einer anorganischen Nährsalzlösung in Wasser und Methanol (0,2 bis 5% <j/Y) und Luft Die Probe wird über eine Kanüle (17) und 3-Wege-Magnetventil (VO) aus dem sterilen Bereich (19) des Bioreaktors (20) in den uristerilen Bereich mittels einer peristaiiischen Pumpe (16) mit den Kanälen (Ki, K 2 und K 4) gefördert.

in Dabei liegt die Schlauchleitung zwischen den Magnetventilen (VO) und (VIl) still, Schlauchpumpen-Kanal (K 5) fördert über das 3-Wege-Magnetventil (VIl) die wäßrige Desinfektionslösung (18) aus dem Vorratsbehälter (21). Der Probestrom aus dem Bioreak-

'^r> tor (20) durchläuft nach dem Magnetventil (VO) ein Filter (15) zur Abtrennung von die Analyse störenden Gronpartikeln. Das Filter (20) besteht aus einem Edelstahlnetz der Maschenweite 30 bis 50 μπι welches plan eingespannt ist und eine wirksame Fläche von ca. 1 cm² besit't. Das Totvolumen des Filters (15) beträgt 0,5 ml.

Hierauf strömt die Probe über den Fitting (Fi) durch das Kaskadenkapillarrohr (1) zwecks Entflockulierung und Homogenisierung. Im folgenden Fitting (F2) wird

4'> die Probe über Kanal (K 1) entgast und ein representativer Probeteilstrom über den Fitting (F3) via Kanal (K 2) gefördert.

Nach der Probenahmezeit von 5 Min. folgt eine Spülzeit von 10 Min. Dabei wird das Filter (15) über

¹Si) 2-Wege-Magnetventil (V 10), über das zum Bioreaktor (20) hin geschlossene Magnetventil (VO), Magnetventil (VlI) und Kanal (K 5) mit der wäßrigen Desinfektionslösung (18) rückgespült. Die Desinfektionslösung (18) besteht aus 0,1 g/l Natriumazid, 1 g/l Natriumcitrp.t und

·"· 1 ml/1 Brij-35 (Fa. Merck, Darmstadt). Während dieser Spülzeit fördern auch die Kanäle (K 1, K 2 und K 4) die Desinfektionslösung (18) zwecks Reinigung und Vermeidung von Wandbew'ichs in den Schläuchen und Fittings.

w) Während der Probenahmezeit wird 2 Minuten nach öffnen von Magnetventil (VO) eine repräsentative Probe aus dem Fitting (F3) für die weitere Analyse entnommen. Hierzu und zur definierten Verdünnung der Probe mit Reaktiohspuffe-· (22) und raschen Enzym-Hitzedenaturierung werden die Magnetventile (Vl) und (V2), sowie eine Autobüretle (23) zur Steuerung und zum Transport der Flüssigkeitsvolumina verwendet. Die Autobürette (7S\ mit einpm Hnvnl·,.

men von 4 ml wird durch zuströmende Preßluft (5 bar) über Magnetventil (V 13) innerhalb einer Sekunde zum Magnetventil (V2) hin entleert, und durch Druckabbau innerhalb 1 Sek. gefüllt.

Die ersten beiden Arbeitscyclen der Autobürette fördern Reaktionspuffer (22) über die Magnetventile (Vt) und (V2) in die Glasschlange (24). Danach werden in 3 Arbeitscyclen über Magnetventil (Vi) Probelösung gefördert, wobei nur die beiden letzten Volumina in die Glasschlange (24) gefördert werden. Im letzten Arbeitscyclus v/ird nochmals Reaktionspuffer (22) zum quantitativen Probetransfer und zur definierten Verdünnung in die Glasschlange (24) dosiert.

Zur Vermeidung von Probeablagerungen in der auf 95° C beheizten Glasschlange (24) mit einer Länge von 1 m und einem Innendurchmesser von 1,4 mm wird durch Pumpenschlauch-Kanal (K 3), Rückschlagventil (V 14) und Fitting (F4) Luft in die Glasschlange (24) dosiert. Die Temperaturerhöhung und der geringe Innendurchmesser der Glasschlange (24) bewirken sowohl eine rasche Enzymdesaktivierung durch schnelles Aufheizen als auch die notwendige hohe Strömungsgeschwindigkeit durch die expandierende Luft.

Der Probetransfer vom sterilen Bereich (19) des Bioreaktors (20) bis zur Glasschlange (24) beträgt bei einer Gesamtlänge der Verbindungsschläuche von 100 mm und einem Innendurchmesser von 0,065" 4 Sek.

Die aus der Glasschlange (24) austretenden Flüssigkeitsströme werden in einem durch ein Wasserbad (27) auf 95° C beheizten Extraktionsgefäß (25) gesammelt. Hierbei wird innerhalb 10 Min. eine praktisch vollständige Extraktion des Adenosintriphosphats (ATP) neben anderen Metaboliten erreicht. Der zur Verdünnung und Extraktion eingesetzte Reaktionspuffer (22) hat die Zusammensetzung 0,02 molar Trishydroxymethyl-aminomethan-hydrochlorid und 0,02 molar Magnesiumsulfat in Wasser, auf pH 7,4 eingestellt. Während der Extraktion wird durch die weiterhin aus der Glasschlange (24) austretende Luft eine ausreichende pneumatische Mischung im Extraktionsgefäß (25) erreicht.

Danach wird die extrahierte Probe innerhalb 1,5 Min. über die aktivierten Magnetventile (V3) und (V4) und Kanal (K T) der peristaltischen Pumpe (16) durch das axiale Innenrohr (11) eines Doppelmantelrohrs (12) in den bereits anlaufenden Rotor (6) der zonalen Zentrifuge (7) überführt und 5 Min. bei 8000 g zentrifugiert.

Nach Stillstand der zonalen Zentrifuge (7) wird das Ventil (V4) zur Zentrifuge hin geschlossen und Ventil (V3) umgeschaltet, so daß der Kanal (K 7) der Pumpe Luft fördert. Die Magnetventile (VS) und (V6) werden nun so geschaltet, daß der klare Überstand aus der Zentrifuge (7) durch das innere Rohr (11) über Kanal (K 8) und (K 9) einer Schlauchpumpe gefördert wird. Während der restlichen Zeit fördern diese Kanäle Luft. Nach der Entnahme der flüssigen Phase (klarer Oberstand) aus dem Rotor (6) wird über das Magnetventil (VS) durch zwei Düsen (14) des Doppelmantelrohres (12) 20 ml Wasser in die Winkel (10) des Rotors (6) auf die in den Winkeln (10) haftende feste Phase gespritzt, während die Zentrifuge (7) mit verringerter Drehzahl (600 UpM) dreht

Dadurch wird die feste Phase abgewaschen und resuspendiert und nach Stillstand des Rotors (6) über Ventil (V5) und Kanal (K 6) verworfen.

Im klaren Überstand wird in bekannter Weise mittels der Luciferin-Luciferase Methode die Konzentration an Adenosintriphosphat quantitativ bestimmt.

Ein Teilstrom des klaren Überstandes wird zur weiteren Analyse über Kanal (K9) gefördert. Dieser wird dann zunächst mit Luft über Kanal (K 10) via

ο Fitting (F7) segmentiert und anschließend mit Luciferin/Luciferase-Lösung (26) über Kanal (KU) via Fitting (FS) versetzt. Der segmentierte Analysenstrom durchläuft daraufhin eine Glaswendel (FS).
Die Glaswendel (FS) sitzt im abgedunkelten Photo-

in detektor (30) vor dem Sekundärelektronenvervielfacher (31) mit Photokathode. Ein Teil des erzeugten Lichtes bei der Reaktion zwischen Adenosintriphosphat. Luciferin/Luciferase, Sauerstoff und Reaktionspuffer (22) wird hierbei in ein elektrisches Mcßsignal umgewandelt.

ii welches nach weiterer elektrischer Verstärkung auf einem geeigneten Schreiber(33) registriert wird.

Der Dunkelstrom des Sekundärelektronenvervielfachers (31) beträgt 150 pA bei einer Betriebsspannung von 900 V = und Kühlung auf -23°C. Die Empfindlichkeit beträgt ca. 2 nA für eine Konzentration von 1 mg/1 Adenosintriphosphat im klaren Überstand. Der nutzbare Meßbereich liegt bei 0,003 bis 2 mg/1 Adenosintriphosphat mit einer Genauigkeit von ±2% im linearen Bereich 0,2 bis 2 mg/1. Der Gehalt am

r> Adenosintriphosphat in der Suspension von dem Bakttrium Methylomonas sp DMS 580 (Deutsche Sammli'ng von Mikroorganismen, Göttingen) beträgt bei einer spezifischen Wachstumsrate von 0,5 1/Std. 0,001% Gewichtsanteile Adenosintriphosphat bezogen

jo auf die Bakterientrockenmasse.

Die erzielte Lichtausbeute nimmt mit dem Alter der Luciferin/Luciferase-Lösung innerhalb 18 Std. um ca. 20% ab. Eichung und Nacheichung erfolgt durch Dosage einer Lösung von Adenosintriphosphat im

J5 Reaktionspuffer (22) an Stelle von Luft über Magnetventil (V6) in der Zeit, in welcher kein klarer Überstand aus der zonalen Zentrifuge (7) gefördert wird. Der Verdünnungsfaktor bis zur Gewinnung des klaren Überstandes wird einmalig ermittelt und ansonsten als konstanter Faktor in die Eichung eingeführt.

Zur Betriebskostensenkung wird die Förderung von der Luciferin/Luciferase-Lösung (28) über Kanal (11) auf die notwendige Analysenzeit des klaren Überstandes beschränkt. Während der restlichen Zeit wird über Kanal (Kl2), Magnetventil (V7) und Fitting (F9) Stickstoff in den Vorratsbehälter (32) eingespeist zur Ausbildung einer Schutzgasatmosphäre und einer pneumatischen Durchmischung der feindispersen Luciferin/Luciferase-Lösung (28) im durch ein Alkohlbad

(29) auf 4° C gekühltem Vorratsbehälter (32).

Zur Herstellung der Luciferin/Luciferase-Lösung (28) werden 250 mg eines Leuchtkäfer-Extraktes (Firefly Lantern Extract, FLE-250, Sigma Chemical Company, St. Louis, USA) in 20 ml destilliertem Wasser aufgenommen, geschüttelt, und 5 Min. bei 4000 g zentrifugiert. Der abgenommene Überstand wird mit Reaktionspuffer (22) zu 80 ml verdünnt und mit 0,02 ml Mercaptoäthanol versetzt

Nach dem Verfahren der Erfindung können extrazelluläre Stoffe wie z. B. Antibiotika oder Enzyme und intrazelluäre Stoffe wie z. B. Metaboliten, Enzyme, Nucleinsäuren und anorganische Stoffe bestimmt werden.

Das Verfahren der Erfindung bietet die technischen Vorteile, daß vollautomatisiert eine schnelle Probeentnahme und Probeaufbereitung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß mittels des Verfahrens eine Prozeßanalvtik

durchgeführt werden kann, die bei der Prozeßoptimierung eine Steuerung des Wachstums und der Produktbildung gestattet. Es wird dadurch möglich, durch Variationen der äußeren Parameter direkt in den Energie- und Zellstoffwechsel regelnd einzugreifen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur automatischen Vorbereitung von aus Zellsuspensionen bestehenden Proben zum Zwecke der nachfolgenden Bestimmung intra- und/oder extra-zellulärer Stoffe durch eine kontinuierlich aufeinanderfolgende Behandlung einer Mehrzahl von Proben, wobei folgende Verfahrensstufen durchlaufen werden:

(1) aus einer Zellsuspension wird eine homogene Probe über ein Dreiwegeventil innerhalb von 0,1 bis 10 see über eine sterile Probeentnahmestrecke in einen unsterilen Behandlungsbereich gefördert, wobei der Probestrom entflokuliert und entgast wird, und es wird eine Inaktivierung sämtlicher oder bestimmter Enzyme der Probe vorgenommen, und es werden die zu bestimmenden J; haltsstoffe in Lösung gebracht,

(2) die Suspension wird in eine periodisch betriebene zonale Zentrifuge gefördert und einer Fest-Flüssig-Trennung unterworfen, wonach die flüssige Phase nach Stillstand der Zentrifuge entnommen und 'gegebenenfalls der Analyse zugeführt wird und die festen Phasen durch Aufspritzen einer flüssigen Phase bei verringerter Drehzahl der Zentrifuge resuspendiert und ausgetragen werden.

2. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß i;. der Verfahrensstufe (1) größere Teilchen durch Filtration,->.bgetre~nt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Vr fahrensstufe (1) sämtliche oder bestimmte in der Probe enthaltene Enzyme in bekannter Weise inaktiviert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen der Verfahrensstufe (2) die resuspendierten festen Phasen einer mechanischen, thermischen, chemischen oder physikalischen Behandlung unterworfen werden, wobei die zu bestimmenden Inhaltsstoffe in Lösung gebracht werden, und daß danach die Verfahrensstufe (2) nochmals durchlaufen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Durchlaufen einer Probe die Probeentnahmestrecke von einer desinfizierenden und reinigenden Flüssigkeit (18) durchströmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von Metaboliten die Inaktivierung von Enzymen durch thermische Denaturierung durch Erhöhung der Temperatur innerhalb von 0,2 bis 5 see auf 60 bis 95° C erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Stufe (2) zur Resuspension Wasser oder ein wäßriges Puffersystem, gegebenenfalls unter Zusatz oberflächenaktiver Stoffe, verwendet wird,

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein an einen Bioreaktor (20) anschließbares Dreiwegeventil (VO) vorgesehen ist, an welches sich eine sterile Probeentnahmestrecke und ein unsteriler Behandlungsbereich mit einer zonalen Zentrifuge (7) anschließen, wobei in der Probeentnahmestrecke ein Kaskadenkapillarrohr

(I) und eine Einrichtung zur Entgasung angeordnet sind, und daß das Kaskadenkapillarrohr (1) aus einem Rohr mit einer sinusförmigen Innenwand (2) mit 3 bis 10 Amplituden auf einer Länge von 2 bis 10 cm mit einem kleinsten Innendurchmesser (3¹) von 0,1 bis 0,5 mm und einem größten Innendurchmesser (41) von 0,8 bis 5 mm besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Innenwand (5) des Rotors (6) der zonalen Zentrifuge (7) einen Winkel zwischen 20 und 50" zur Drehachse (8) aufweist und der Innendurchmesser (9) maximal 15 cm beträgt, wobei die Spitzen (10) der Winkel gerundet sind und die Winkel gegebenenfalls eine rauhe oder gerippte Oberfläche aufweisen und die Ablauffläche glatt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zonale Zentrifuge zum Zu- und Ableiten der flüssigen und festen Phasen ein Doppelmantelrohr (12) mit einem axialen Innenrohr

(II) und einem kürzeren Außenrohr aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere zonale Zentrifugen vorgesehen sind.