DE3337668C2 - Verfahren zur Elektroelution elektrisch geladener Makromoleküle - Google Patents
Verfahren zur Elektroelution elektrisch geladener MakromoleküleInfo
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Abstract
Das Verfahren zur praktisch verlustfreien Elektroelution von elektrisch geladenen Makromolekülen, insbesondere biologischen Ursprungs, ist dadurch gekennzeichnet, daß die eluierten Makromoleküle in einer aus zwei hintereinandergeschalteten Polymermembranen gebildeten Fallen gefangen werden, von denen die erste Membran die im elektrischen Feld wandernden Makromoleküle hindurchtreten läßt, die nachfolgende zweite Membran aber der weiteren Wanderung der Makromoleküle undurchlässig entgegensteht, während die kleineren Ionen und Moleküle durchgelassen werden. Nach Abschalten des elektrischen Feldes sind beide Membranen der Falle für jeglichen Stofftransport praktisch undurchlässig. Die Makromoleküle können dann bequem in hochkonzentrierter Form aus der Falle mit dem in der Falle enthaltenen flüssigen Medium abpipettiert werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elektroelution von elektrisch geladenen Makromolekülen der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
Unter Elektroelution wird dabei im Rahmen der Erfindung nicht nur die Elution von Makromolekülen aus
Gelen, insbesondere Elektrophoresegelen, also die klassische Elektroelution verstanden, sondern auch das EIuieren aus verdünnten Lösungen zum Zwecke des Konzentrierens oder das Überführen von Makromolekülen
aus Lösungen zum Zwecke der Entsalzung oder Umpufferung (Dialyse). Aus Gründen der klareren Darstellung
wird für alle diese Aspekte der Oberbegriff »Elektroelution« zur Beschreibung der Erfindung definiert und benutzt
Elektrisch geladene Makromoleküle im Sinne der Erfindung sind Makromoleküle mit einem Molekulargewicht von größer als 1000 und sind speziell biologische
Makromoleküle wie insbesondere DNA, RNA oder Proteine.
Ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art ist aus der Zeitschrift Analyti-
to cal Biochemistry 124, 299 bis 302 (1982) bekannt Als
Falle für die eluierten Makromoleküle dient dabei ein Nylonsäckchen, in dem ein Adsorbtionsgel, insbesondere Malachitgrüngel, enthalten ist, in dem die aus dem
Elektrophoresegel eluierten Makromoleküle zwischen
adsorbiert werden. Nach vollständiger Elektroelution
wird das Zwischenadsorptionsgel seinerseits auf einer Säule eluiert, insbesondere mit einmolarer Natriumperchloratlösung. Die durch diese Zwischenadsorption entstehenden Verluste an Makromolekülen liegen bei min-
destens 25%, so daß also mit anderen Worten nach diesem Verfahren, das das beste derzeit zur Verfugung
stehende Verfahren ist, Ausbeuten von höchstens 75% erzielbar sind. Außerdem ist das Verfahren ungewöhnlich zeitraubend und kostenaufwendig. Kostenaufwen-
dig insbesondere im Hinblick auf die hohen Materialkosten vor allem des Zwischenadsorptionsgeis und zeitaufwendig durch die zweite Elution der Makromoleküle. So wird für die Aufarbeitung einer Elektrophoresegelfraktion nach dem bekannten Verfahren eine Zeit
von mindestens 40 min benötigt
Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen,
nach dem elektrisch geladene Makromoleküle beliebigen Ursprungs rascher, verlustfreier und mit geringeren
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art das die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale aufweist
Mit anderen Worten, der Kerngedanke der Erfindung
beruht also darauf, die unter Einwirkung des äußeren
elektrischen Feldes eluierten und überführten Makromoleküle nicht in einer Adsorptionsfalle einzufangen,
sondern in einer zwischen zwei Polymermembranen gebildeten Falle, die mit destilliertem Wasser oder mit
Pufferlösung gefüllt ist aufzufangen. Dies gelingt dadurch, daß die eluierten Makromoleküle zunächst auf
eine innere Fallenmembran geführt werden, die in Gegenwart des elektrischen Feldes auch für Makromoleküle duchlässig ist, und dann auf eine äußere Fallen-
membran, ebenfalls eine Polymermembran, geführt werden, die auch im elektrischen Feld für die Makromoleküle unduchlässig ist Nach Abschalten des elektrischen Feldes ist auch die innere Fallenmembran praktisch für jeden Stofftransport undurchlässig, ist also ins-
besondere auch wasserdicht so daß die in der Falle konzentrierten Makromoleküle zusammen mit dem in
der Falle eingeschlossenen flüssigen Medium in einfacher Weise, beispielsweise durch Abpipettieren, aus der
Falle entnommen werden können. Dieser Vorgang der
Elektroelution elektrisch geladener Makromoleküle
kann mit einer Ausbeute von mindestens 90% durchgeführt werden. Für die Elution einer Elektrophoresegelfraktion werden nicht mehr als 5 min benötigt. Außerdem entfallen die Kosten für das nach dem Stand der
Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann dadurch ein Problem entstehen, daß sich die in die Falle
überführten Makromoleküle auf der äußeren Fallen-
membran ansammeln. Sie können dadurch nicht kurzfristig quantitativ mit dem in der Falle eingeschlossenen
flüssigen Medium entnommen werden. Dieser Ansammlung, Haftung und/oder Adsorption der elektrisch geladenen
Makromoleküle auf der äußeren, auch im elektrischen Feld undurchlässigen Fallenmeuibran kann dadurch
begegnet werden, daß man nach Abschluß der eigentlichen Elektroelution und Überführung aller Makromoleküle
in die Falle das äußere elektrische PeId kurz umpolt, wobei sämtliche an der äußeren Fallenmembran
gesammelten elektrisch geladenen Makromoleküle von der Membran abgelöst werden und zurück in
das Fallenmedium wandern. Das umgepolte Feld wird vorzugsweise für 10 bis 15 s angelegt Dem gleichen
Zweck dient auch die Verwendung von Membranen, die gezielt jeweils negativ oder positiv geladene Teilchen
nicht adsorbieren. Zu diesem Zweck wird also vor dem negativen Pol des äußeren elektrischen Feldes eine äußere
Fallenmembran verwendet, die keine positiven Teilchen adsorbiert und umgekehrt, wird vor dem positiven
Pol des äußeren elektrischen Feldes eine äußere Fallenmembran verwendet, die keine negativen Teilchen
adsorbiert
Beide vorstehend beschriebenen Maßnahmen können selbstverständlich kombiniert verwendet werden.
Der Elutionsraum ist zumindest auf einer Seite von einer Falle begrenzt Auf der gegenüberliegenden Seite
ist zwar vorzugweise auch eine Falle vorgesehen, jedoch braucht prinzipiell auch nur eine Abschlußmembran
vorgesehen sein. Selbst ohne Abschlußmemtxan
sind das Verfahren gemäß der Erfindung selbstverständlich noch funktionsfähig, insofern nämlich, als die
im elektrischen Feld eluierten Makromoleküle bei richtiger Polung des Feldes in die eine vorhandene Falle
wandern. Bei einem solcherart offenen Elutionsraum oder Elutionskanal steht die Falle jedoch stets unmittelbar
mit dem relativ hoch konzentrierten Puffer oder Elektrolyten der horizontalen Elektrophoresekammer
in Verbindung, in der die Vorrichtung in an sich bekannter Weise betrieben wird. Bei Abtrennung des Elutionsraumes
durch zumindest eine für den Stofftransport in Abwesenheit eines elektrischen Feldes praktisch undurchlässige
Abschlußmembran kann im Elutionsraum und in den Fallen ein flüssiges Medium verwendet werden,
also beispielsweise eine Pufferlösung, die wesentlich verdünnter als die in der Elektrophoresekammer
verwendete Pufferlösung ist. Besonders vorteilhaft können die Falle oder die Fallen und der Elutionsraum sogar
mit destilliertem Wasser gefüllt werden.
Das Volumen der Falle ist vorzugsweise um den Faktor 10 bis 100 kleiner als das Volumen des Elutionsraumes.
Dadurch wird in der Falle gleichzeitig ein spürbarer Konzentrationseffekt für die Makromoleküle erzielt
Membranen mit den vorstehend spezifizierten Eigenschaften sind in großer Vielfalt im Handel ohne weiteres
erhältlich. Vorzugsweise werden mit Wasser benetzbare oder in Wasser quellbare Membranen eingesetzt, insbesondere
Membranen auf der Basis von Cellulose, Celluloseester, Polyamiden, Polyimiden und Polysulfonen.
Dabei werden insbesondere Membranen auf der Basis von Cellulose und Celluloseestern, speziell Celluloseacetat,
bevorzugt.
Für die innere Fallenmembran wird dabei eine Membran
mit einer Porengröße im Bereich von 0,055 bis 0,2 μιη ausgewählt, während für die äußere Membranen
solche verwendet werden, die keine Moleküle mit einem Molekulargewicht von größer als 1000 durchlassen, und
zwar auch nicht in Gegenwart eines relativ starken äußeren elektrischen Feldes. Der Benutzer wird im einzelnen
nicht an die vorstehend hinweisend gegbenen Bemessungsgrenzen gebunden sein, sondern im einzelnen
die Auslegung und Kombination der Membranen nach der speziell zu lösenden Elutionsaufgabe festlegen.
Weiterhin können die Membranen gestützt oder ungestützt,
verstärkt oder unverstärkt sowie symmetrisch oder asymmetrisch aufgebaut sein. Stets wird über die
Auswahl der Anwendungszweck entscheiden. Solche ίο Membranauswahl liegt im Bereich der täglichen Arbeit
des Fachmanns. Bei Einsatz asymmetrischer Membranen ist jedoch darauf zu achten, daß die dichte oder
»aktive« Oberfläche solcher asymmetrischer Polymermembranen vorzugsweise zum Innenraum der Falle gekehrt
ist
Das Verfahren gemäß der Erfindung werden vor allem zur Elektroelution aus Elektrophoresegelen, zum
Konzentrieren und Entsalzen von biologischen Makromolekülen wie beispielsweise DNA, RNA und Proteinen
eingesetzt Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist darüber hinaus das Aufkonzentrieren positiv geladener
Makromoleküle, insbesondere positiv geladener Proteine, bei entsprechend eingestelltem pH-Wert
als Selbst- und Endzweck oder in Kombination mit einer gleichzeitigen Reinigung und Konzentrierung negativ
geladener Makromoleküle, also insbesondere eine Trennung positiv und negativ geladener biologischer
Makromoleküle.
Das Verfahren und das Prinzip der Erfindungg sind anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit
der Zeichnung näher erläutert Es zeigt F i g. 1 in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel;
und
Fig.2 in ebenfalls schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Fig.2 in ebenfalls schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In der Fig. 1 sind schematisch ein Elutionsraum 1,
eine am negativen Pol des äußeren elektrischen Feldes liegende Falle 2, eine am positiven Pol des äußeren elektrischen
Feldes liegende Falle 3 und der Elektrolyt oder Puffer 4 der Elektrophoresekammer dargestellt, in der
das Verfahren durchgeführt wird.
In der aus F i g. 1 ersichtlichen Weise sind beide Fallen 2, 3 von qualitativ gleichen Membranen, nämlich
jeweils einer inneren Membran M 2 und einer äußeren Membran M1 begrenzt Das Medium, in dem die Elektroelution
durchgeführt wird, weist einen Spiegel 5 auf, der dicht unterhalb der Oberkanten der Membranen
steht, um einen möglichst großflächigen Stromdurchgang zu gewährleisten.
Nach Einschalten des elektrischen Feldes wandern die in der F i g. 1 mit einem großen Kreis symbolisierten
negativ geladenen Makromoleküle aus dem Elutionsraum 1 durch die innere Fallenmembran M 2 hindurch
auf die äußere Fallenmembran M1, durch die sie auch in
Gegenwart eines elektrischen Feldes nicht hindurchtreten können, während die Pufferionen aus dem Medium
im Elutionsraum 1 ohne weiteres auch durch die Membran 1 hindurch und in den Puffer 4 der Elektrophoresekammer
eintreten. Die negativ geladenen Makromoleküle werden auf der äußeren Fallenmembran M1 gesammelt.
Nach Überführung aller im Elutionsraum 1 vorhandenen negativ geladenen Makromoleküle durch
die Membran M 2 hindurch in die Falle 3 wird der elektrische
Strom für 10 bis 15 s umgepolt, so daß also in der Darstellung der F i g. 1 der positive Pol auf der linken
Seite und der negative Pol auf der rechten Seite liegen. Dies führt zu einer Ablösung der auf der äußeren Mem-
bran M1 gesammelten negativ geladenen Makromoleküle und zu ihrer Überführung in den Innenraum der
Falle 3. Aus dieser Falle können die Makromoleküle dann beispielsweise durch Abpipettieren des in der Falle 3 enthaltenen flüssigen Mediums quantitativ gewon-
nen werden. Bei abgeschaltetem elektrischen Feld sind beide Membranen Mi, M2 praktisch für jeden Stofftransport undurchlässig, vor allem wasserdicht, verhindern also insbesondere ein Nachströmen von Wasser
sowohl aus dem Elutionsraum 1 als auch aus der Elektrophoresekammer in die beispielsweise durch Abpipettieren allmählich leerer werden Falle 3.
In der F i g. 2 ist in der gleichen schematischen Darstellung wie in F i g. 1 eine modifizierte Membrananordnung dargestellt Bei der in F i g. 2 gezeigten Prinzip sind is
die beiden äußeren Fallenmembranen MX und M3
nicht wie bei dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel identisch. Vielmehr ist bei dem in F i g. 2 gezeigten
Ausführungsbeispiel die Membran M1 so ausgerüstet,
daß sie keine positiven Teilchen adsorbiert, während die dem positiven Pol des äußeren elektrischen Transportfeldes zugekehrte äußere Fallenmembran M 3 so ausgerüstet ist daß sie zumindest praktisch keine negativ geladenen Teilchen adsorbiert Bereits durch einen nur
außerordentlich kurzen Spannungsstoß mit vertauschten Polen können sämtliche von der Oberfläche der äußeren Membran Λ/3 zurückgehaltenen elektrisch geladenen Makromoleküle in das flüssige Medium in der
Falle 3 überführt werden. Im übrigen arbeitet die in F i g. 2 schematisch dargestellte Vorrichtung in gleicher
Weise wie vorstehend im Zusammenhang mit der Fig. 1 erläutert
Von besonderem Vorteil ist daß die inneren Membranen M 2 wasserdicht sein müssen und damit so ausgewählt werden können, daß sie auch in Gegenwart
eines elektrischen Feldes für Bakterien undurchlässig sind. Auf diese Weise wird in den Fallen 2,3 ein Makromolekülkonzentrat erhalten, das auch absolut bakterienfrei ist Eine solche bakterienfreie Elution ist bei den
Verfahren nach dem Stand der Technik nicht möglich und führt zu häufig spürbaren Verlusten an Makromolekülen insbesondere biologischer Herkunft durch Bakterienfraß.
50
60
65
Claims (5)
1. Verfahren zur Elektroelution von elektrisch geladenen Makromolekülen durch Oberfuhren der zu
eluierenden Makromoleküle unter Einwirkung eines äußeren elektrischen Feldes aus einem Elutionsraum
in eine Falle, dadurch gekennzeichnet, daß die im elektrischen Feld wandernden Makromoleküle zunächst durch eine innere Fallenmembran
(M 2) geführt werden, die im elektrischen Feld für die Makromolekaie durchlassig, in Abwesenheit eines äußeren elektrischen Feldes aber für jeden
Stofftransport praktisch undurchlässig; insbesondere wasserdicht ist, und dann auf eine äußere Fallenmembran (MX; MZ) geführt werden, dre im elektrischen Feld zwar durchlassig für kleine Ionen und
Moleküle ist, aber auch im elektrischen Feld keine Makromolekaie durchlaßt, und daß die Makromoleküle dann mit dem flüssigen Medium aus der Falle
zwischen den beiden Fallenmembranen (M 1, M 2; M 2; M 3) entnommen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld nach Oberführung
aller Makromoleküle aus dem Elutionsraum in die Falle oder in die in Feidrichtung zu beiden Seiten des
Elutionsraumes angeordneten Fallen (M 1, M 2; M 2, MS) kurzzeitig umgepolt wird, um die auf den für
die Makromoleküle undurchlässigen Membranen (MV, M3) gesammelten Makromoleküle wieder
von der Membran abzulösen und in das in der Falle vorgelegte Medium zu überführen.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als innere Membran
(M 2) eine Membran eingesetzt wird, die auch in Gegenwart eines elektrischen Feldes für Bakterien
undurchlässig ist
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsat? von asymmetrischen Membranen, diese so angeordnet werden, daß die dichten oder aktiven Oberflächen dieser
Membranen dem Innenraum der Falle (2, 3) zugekehrt sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als äußere Membranen solche einsetzt, die am negativen Pol des
äußeren elektrischen Feldes liegende äußere Membran (MX) keine positiven Makromoleküle adsorbiert und absorbiert und die am positiven Pol des
äußeren elektrischen Feldes liegende äußere Membran (M 3) keine negativen Makromoleküle adsorbiert und absorbiert
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