DE3622591A1

DE3622591A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines regelbaren und reproduzierbaren temperaturgradienten und seine verwendung

Info

Publication number: DE3622591A1
Application number: DE19863622591
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl Phys Rosenbaum; Detlev Prof Dr Riesner
Original assignee: DIAGEN INST MOLEKULARBIO
Current assignee: Qiagen GmbH
Priority date: 1986-07-04
Filing date: 1986-07-04
Publication date: 1988-01-14
Anticipated expiration: 2006-07-05
Also published as: EP0251306A1; JPH0754315B2; EP0251306B1; JPS6327744A; US5066377A; DE3622591C2

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines regelbaren und reproduzierbaren Temperaturgradienten in einer vorgegebenen Richtung von wärmeleitenden Platten für die Auftrennung von Stoffge mischen in flächigen Trennmedien. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen Temperaturgradienten sowie ihre Verwendung zur Auftrennung von Stoffgemischen, in denen mindestens eine Komponente im Temperaturbereich des Temperaturgra dienten eine thermische Umwandlung erfährt.

Es ist bekannt, daß eine Reihe von höhermolekularen Naturstoffen bei steigenden Temperaturen Umwandlungen bzw. irreversible Veränderungen erfahren und daß diese Veränderungen auch analytisch ausgewertet werden kön nen. D.R. Thatcher und B. Hodson haben in Biochem. (1981), 197, S. 105-109 die Denaturierung von Proteinen und Nukleinsäuren unter Anwendung eines thermischen Gradienten bei der Elektrophorese untersucht und dabei festgestellt, daß hierbei thermisch verursachte Verän derungen sichtbar gemacht werden können. Zur Erzeugung des thermischen Gradienten haben sie ein Gerät konstru iert, welches von beiden Seiten an eine vertikale Poly acrylamid-Gelplatte gelegt werden konnte, wobei thermo statisch kontrolliertes Wasser verschiedener Temperatu ren durch die beiden Enden der Aluminiumplatten gelei tet wurde. Die beiden Platten waren miteinander in Se rie geschaltet, wobei man annahm, daß sich hierbei ein identischer thermischer Gradient ausgebildet hat.

Diese Vorrichtung ist nicht nur konstruktiv kompliziert und schwierig handhabbar, sonder weist auch den prinzi piellen Fehler auf, daß sich hiermit kein regelbarer und reproduzierbarer Temperaturgradient herstellen läßt. Allein dadurch, daß der Strom des Wasserbades durch die in Serie geschalteten Platten geleitet wurde, hat sich ein unerwünschter und störender Temperaturgra dient ausgebildet zwischen Zu- und Ableitung des jewei ligen Wasserbades. Dies wiederum führt zu verschiedenen Temperaturen und nicht-parallelen Temperaturgradienten in den beiden Platten. Dies wiederum führt dazu, daß die Gelelektrophoreseplatte auf der Vorder- und Rück seite verschiedene Temperaturen aufwies.

Die vorliegende Erfindung hat sich zunächst die Aufgabe gestellt, einen regelbaren und reproduzierbaren Tempe raturgradienten herzustellen in einer vorgegebenen Rich tung von wärmeleitenden Platten für die Auftrennung von Stoffgemischen in flächigen Trennmedien. Dabei sollte dies mit möglichst geringem konstruktiven und apparati ven Aufwand erfolgen und dennoch gewährleisten, daß möglichst wenig Störungen auftreten.

Diese Aufgabe konnte jetzt überraschend einfach dadurch gelöst werden, daß man mit nur einer Platte arbeitet und daß eine Kante in der Platte mittels einer oder mehrerer Heizvorrichtungen erwärmt und die gegenüber liegende Kante der Platte mittels einer oder mehrerer regelbarer Kühlvorrichtungen gekühlt wird, wobei der Energiefluß der Heizvorrichtung(en) einerseits und der Kühlvorrichtung(en) andererseits größer ist als der Energiefluß durch die Platte. Untersuchungen an recht eckigen Platten mit derartigen Heiz- und Kühlvorrich tungen haben gezeigt, daß auf diese Weise in der Platte ein praktisch linearer Temperaturgradient erzeugt wer den kann und dieser Temperaturgradient von der Platte auf die angrenzenden flächigen Trennmedien übertragen wird. Es hat sich weiterhin gezeigt, daß bei wärmeiso lierender Abdeckung des flächigen Trennmediums auf der Seite, die der Platte abgewandt ist, sich der gleiche Temperaturgradient durch die gesamte Schicht hindurch ausbildet. Die Temperatur auf den beiden Seiten des Trennmediums ist somit nahezu identisch. Es kann daher nicht zu den Störungen kommen, die durch verschiedene Aufheizung der beiden Seiten des Trennmediums durch zwei Platten zu beobachten sind.

Besonders einfach kann sowohl die Erwärmung der einen Kante der Platte als auch die Kühlung der gegenüberlie genden Kante mit Hilfe von thermostatisierten Flüssig keitsbädern erfolgen. Prinzipiell kann aber auch die Heizung der einen Kante mit Hilfe einer elektrischen Heizung erfolgen, wobei sowohl Heizdrähte als auch Pel tier-Elemente in Frage kommen.

Um bei Verwendung von thermostatisierten Flüssigkeits bädern zu gewährleisten, daß der Energiefluß der Heiz vorrichtung einerseits und der Kühlvorrichtung anderer seits größer ist als der Energiefluß durch die Platte, genügt es nicht, an den Plattenenden Bohrungen anzubrin gen, welche von dem Flüssigkeitsbad durchströmt werden. Es werden vielmehr größerdimensionierte Metallblöcke durchbohrt und vollflächig mit den Kanten der Platte verbunden. Vorzugsweise werden einfach oder doppelt durchbohrte Metallblöcke verwendet, die eine deutlich breitere Außenkante aufweisen als die Dicke der wärme leitenden Platte.

Bei einfach durchbohrten Metallblöcken bildet sich durch den Energiefluß in die Platte ein gewisser Tempe raturgradient zwischen Zu- und Ablauf aus. Dieser Tem peraturgradient wird dann als relativ geringfügiger Fehler des erfindungsgemäß herzustellenden Temperatur gradienten auf der Platte an diese weitergegeben. Um auch diese Störungen des Temperaturgradienten in der Platte zu vermeiden, verwendet man am einfachsten dop pelt durchbohrte Metallblöcke, durch die das jeweilige Flüssigkeitsbad nacheinander in beiden Richtungen durch gepumpt wird. Der Temperaturgradient zwischen eintre tendem und austretendem Flüssigkeitsbad wird dadurch geringer und kompensiert sich innerhalb des Metall blocks. Prinzipiell ist es auch möglich, diesen Fehler etwas zu kompensieren, indem man bei einfach durchbohr ten Blöcken eine den Temperaturgradienten entsprechende Winkelabweichung von der parallelen Anordnung wählt und so die geringere Temperaturdifferenz zwischen Ausflüs sen durch einen geringeren Abstand ausgleicht, was dann zum gleichen Gradienten führt. Wesentlich störender als ein nicht idealer Gradient sind die Abweichungen der Temperatur auf der Ober- und Unterseite von flächigen Trennmedien bei der Verwendung von zwei Platten, deren Temperaturgradient nicht völlig übereinstimmt, so wie dies im Stand der Technik der Fall war.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß es möglich ist, nicht nur wie im Stand der Technik einen Temperaturgradienten senkrecht zur Lauf richtung, sondern auch parellel zur Laufrichtung herzu stellen. Hierdurch ist es möglich, gereinigte, chroma tographisch einheitlich erscheinende Fraktionen zu un tersuchen.

Es wurde bereits in einigen Fällen festgestellt, daß es sich dabei um Substanzgemische handelte, die bei noch maliger Auftrennung unter Einwirkung eines parallelen Temperaturgradienten aufgetrennt werden konnten. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die einzelnen Komponen ten des einheitlich erscheinenden Gemisches sich ther misch verschieden verhalten und daher beim Durchwandern des flächigen Trennmediums an verschiedenen Stellen umgewandelt werden und daher ihre Wanderungsgeschwin digkeit verändern. Bei Anwendung eines parallelen Tem peraturgradienten ist es weiterhin möglich, gleichzei tig mehrere Proben zu untersuchen.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit Gelplatten für die Elektrophorese ist es beispiels weise möglich, Viroide, Satelliten-Ribonukleinsäuren von Viren und Viren mit doppelsträngiger RNA nachzuwei sen und zu unterscheiden. Weiterhin ist es möglich, Protein-Nukleinsäure-Komplexe sowie Mutationen zu ana lysieren, da sich auch diese in sehr spezieller Weise thermisch unterscheiden lassen. Einige dieser Trennpro bleme konnten sich bisher nur mit Hilfe der sehr schwer reproduzierbaren und äußerst schwierig herstellbaren Gradientenplatten für Gelelektrophorese lösen lassen. Bekanntgeworden sind insbesondere derartige Gradien tenplatten mit einem Harnstoffgradienten oder einem Gradienten eines Inhibitors (vgl. L.S. Lerman et al., Ann. Rev. Biophys. Bioeng., 1984. 13, S. 399-423).

Eine besonders einfache und bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der anliegen den Fig. 1 dargestellt, welche mit ihren Dimensionen geeignet ist, in einem handelsüblichen Gelelektrophore se-Gerät eingesetzt zu werden, nämlich dem LKB 2117 Multiphor II.
In dieser Figur bedeutet

1 die wärmeleitende Platte,
2 eine Kante und
3 die gegenüberliegende Kante,
4 eine regelbare Heizvorrichtung und
5 eine regelbare Kühlvorrichtung.

In der anliegenden Fig. 2 ist schematisch der Aufbau einer Temperaturgradienten-Gelelektrophorese darge stellt.
In dieser Figur bedeutet

1 eine Kupferplatte,
5 einen Kühlkanal,
6 eine Polytetrafluorethylen-Folie zur elektrischen Isolation,
7 eine das Gel tragende Folie,
8 das Gel,
9 einen Flüssigkeitsfilm zwischen Gel und Abdeckfolie,
10 eine Abdeckfolie,
11 eine auf der Abdeckfolie liegende Glasplatte,
12 eine Glasplatte zum Anpressen der Elektrodenkontakttücher,
13 Elektrodenkontakttücher,
14 Polyethylenfolie um die Elektrodenkontakttücher,
15 Elektrodenpufferbecken
16 eine Elektrode und
17 eine Geltasche.

Zur Durchführung der Temperaturgradienten-Gelelektro phorese wird das Gel horizontal auf die Thermostati sierplatte gemäß Fig. 1 gelegt. Das elektrische Feld im Gel wird über zwei Filterpapiere oder Schwammtücher hergestellt, die in puffergefüllte Elektrodenkammern führen. Anstelle der für horizontale Elektrophoresen handelsüblichen Filterpapiere haben sich auch in de stilliertem Wasser ausgekochte Haushaltsschwammtücher gut bewährt, da sie eine größere Saugfähigkeit und nach dem Autoklavieren geringere mikrobiologische Verunrei nigungen zeigen.

Die Thermostatisierplatte besteht beispielsweise aus zwei quaderförmigen Kupferblöcken mit quadratischem Querschnitt (210 mm×30 mm×30 mm) und einer zentra len zylindrischen Bohrung von 15 mm Durchmesser. Sie werden an den gegenüberliegenden Seiten einer Stirnflä che einer 210 mm×190 mm×5 mm großen Kupferplatte angelötet. An die Enden der zylindrischen Bohrung wer den Messingoliven angebracht, an die die Zu- und Abfüh rungen zweier Wasserthermostaten angeschlossen werden. Die untere Grenze des Temperaturgradienten (T ₁) wird durch einen kühlbaren Julabo F 20-HC Thermostaten und die obere Grenze (T ₂) durch einen Haake F 3 Thermostaten hergestellt. Nach Anschluß der Thermostaten an die Ther mostatisierplatte stellt sich innerhalb von wenigen Minuten ein konstanter Temperaturgradient ein. Der Tem peraturgradient zwischen Einlaß und Auslaß der Kupfer blöcke betrug weniger als 0,5°C. Die mit der Apparatur maximal einstellbare Temperaturdifferenz betrug 70°C. Messungen der Temperatur oberhalb und unterhalb des Gels ergaben maximale Abweichungen von 1°C. Die Elek trophorese wurde zunächst bei T ₁=T ₂=10°C und einer Spannung von 100 V begonnen und wieder gestoppt, nach dem an der zurückgelegten Laufstrecke abgeschätzt wer den konnte, daß die zu untersuchende Probe vollständig in die Gelmatrix eingedrungen war. Es wurde dann die Spannung abgeschaltet, das Gel einschließlich der Auf tragstasche mit Elektrodenpuffer überschichtet und mit der hydrophilen Seite einer Gelbondfolie luftblasenfrei abgedeckt. Diese Maßnahme und das Überziehen der in die puffergefüllten Elektrodengefäße führenden Schwammtü cher mit handelsüblicher Haushaltsfolie hat sich als wirksamer Schutz gegen Austrocknung erwiesen. Auf die Abdeckfolie wurden zur thermischen Isolation des Gels noch zwei 5 mm dicke Glasplatten gelegt, durch die man die Bewegung der Farbstoffindikatoren im Gel verfolgen kann. Dann wird der Temperaturgradient erzeugt, indem die Heizung und Kühlung eingestellt werden. In weniger als 5 Minuten hat sich auf der Thermostatisierplatte und im Gel ein linearer Gradient eingestellt. Um eine vollständige Gleichgewichtseinstellung der Konformation der zu untersuchenden Proben zu gewährleisten, wurde vorsichtshalber weitere 10 Minuten equilibriert. Diese Zeitdauer der Equilibrierung ist ein Kompromiß zwischen möglichst vollständiger Equilibrierung der zu untersu chenden Probe und einer möglichst geringen Diffusion der Probe in der Gelmatrix. Danach wird in einem drit ten Schritt die Elektrophorese eingeschaltet bei einer Spannung von 300 V. Abgeschaltet wird, wenn im Indika tor zu erkennen ist, daß die Probe nahezu am anderen Ende der Gelplatte angelangt ist.

Das Verfahren wurde inzwischen erfolgreich angewendet für den Nachweis und die Unterscheidung von Viroiden, die Diagnose von Viren, die doppelsträngige oder zirku läre Nukleinsäure enthalten, sowie den Nachweis und die Charakterisierung verschiedener Stämme, beispielsweise vom Rotavirus.

Weiterhin war es möglich, die symptomregulierenden Sa telliten-RNAs am Beispiel des Gurkenmosaikvirus und des Erdnußstauchevirus experimentell zu belegen und eindeu tig zwischen symptomverstärkenden und symptomabschwä chenden Satelliten-RNAs zu unterscheiden. Schließlich ist es gelungen, Protein-Nukleinsäure-Komplexe zu ana lysieren und in einem Beispiel experimentell zu bele gen, daß durch eine Mutation in einer regulatorischen Sequenz eine einfach zu analysierende Fehlfunktion feststellbar war. Die Methode ist daher auch geeignet, Mutationen in Proteinen zu analysieren. Es konnten Mu tanten analysiert werden, die sich nur geringfügig in ihrer Nuklotialsequenz unterscheiden. Eine solche Ana lyse war bisher nur mit dem aufwendigen Harnstoffgradi enten-Verfahren möglich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines regelbaren und reprodu zierbaren Temperaturgradienten in einer vorgegebenen Richtung von wärmeleitenden Platten für die Auftrennung von Stoffgemischen in flächigen Trennmedien, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kante der Platte mittels einer oder mehrerer regelbarer Heizvorrichtungen erwärmt und die gegenüberliegende Kante der Platte mittels einer oder mehrerer regelbarer Kühlvorrichtungen gekühlt wird, wobei der Energiefluß der Heizvorrichtung(en) einerseits und der Kühlvorrichtung(en) andererseits größer ist als der Energiefluß durch die Platte.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß sowohl die Erwärmung der einen Kante als auch die Küh lung der gegenüberliegenden Kante mit Hilfe von thermo statisierten Flüssigkeitsbädern erfolgt.

3. Verfahren gemäß Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Erwärmung der einen Kante mit Hilfe einer elektrischen Heizung erfolgt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als flächiges Trennmedium für Stoff gemische Gelplatten für die Elektrophorese verwendet werden.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als flächiges Trennmedium für Stoff gemische Chromatographieplatten verwendet werden.

6. Vorrichtung zur Herstellung eines regelbaren und repro duzierbaren Temperaturgradienten in einer vorgegebenen Richtung von wärmeleitenden Platten für die Auftrennung von Stoffgemischen in flächigen Trennmedien, bestehend aus der wärmeleitenden Platte (1), einer oder mehrerer regelbarer Heizvorrichtungen (4) an der Kante (2) und einer oder mehrerer regelbarer Kühlvorrichtungen (5) an der gegenüberliegenden Kante (3), wobei sowohl die Heiz vorrichtung(en) (4) als auch die Kühlvorrichtung(en) (5) so dimensioniert sind, daß der Energiefluß größer ist als der Energiefluß durch die Platte (1).

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Heizvorrichtung (4) als auch die Kühlvor richtung (5) aus thermostatisierten Flüssigkeitsbädern bestehen.

8. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Heizvorrichtung einen elektrischen Heizdraht oder Peltier-Elemente enthält.

9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie dimensionsmäßig adaptiert ist für kommerzielle Gelelektrophorese-Geräte.

10. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Auftrennung von Stoffgemischen, in denen mindestens eine Komponente im Temperaturbereich des Temperaturgradienten eine thermische Umwandlung er fährt.

11. Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 10 zum Nachweis und zur Unterscheidung von Viroiden, viralen Nukleinsäuren, Satelliten-RNAs, zur Analyse von Mutati onen in Nukleinsäuren, zur Analyse von Mutationen in Proteinen und zur Analyse von Protein-Nukleinsäure-Kom plexen.