DE3708630A1 - Fluessigkeitsfreie chemie unter schwerelosigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Durchführung von flüssigkeitsfreien, chemischen Reaktionen.

Bei der Durchführung von chemischen Reaktionen mit festen oder in Flüssigkeiten gelösten Reaktionspartnern, Katalysatoren oder Enzymen ist es bisher in der Chemie üblich gewesen, Lösungsmittel zu verwen­ den, in denen die beabsichtigten Reaktionen stattfinden. Es besteht auch weitgehend die Vorstellung, daß z. B. organische Enzyme nur in gelöstem Zustand die beabsichtigten Reaktionen durchführen. Unter der Einwirkung der Schwerkraft ist es tatsächlich notwendig, die Reaktionspartner in Flüssigkeiten im Reaktionsraum zu verteilen, um die notwendige Diffusion bzw. die Freiheitsgrade der Reaktionspartner zu gewährleisten. Eine Vermischung von getrockneten, staubförmigen bzw. puderförmigen Reaktionspartnern führt nicht zu den beab­ sichtigten Reaktionen. In Stäuben findet im Schwerefeld der Erde eine Diffusion nur sehr langsam statt und die Reaktionspartner haben in abgesetzten Stäuben keine Freiheitsgrade in ihrer räumlichen Ausrich­ tung zueinander bzw. gegenüber Enzymen bzw. Katalysatoren. Bei Verwendung von Lösungsmitteln ist eine Feinverteilung der Partner und die notwendige Diffusion gewährleistet. Die Verwendung von Lösungsmitteln ist allerdings oft nachteilig, da durch die begrenzte Lös­ lichkeit der Stoffe bestimmte Konzentrationen nicht überschritten werden können bzw. unliebsame Wechselwirkungen der Lösungsmittel mit den Reaktionspartnern entstehen können. Besonders nachteilig ist die teilweise sehr aufwendige Trennung der Stoffe von Lösungsmitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ohne Flüssigkeit bzw. Lö­ sungsmittel chemische Reaktionen zu gewährleisten.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Reaktionspart­ ner, Enzyme bzw. Katalysatoren von Lösungsmitteln befreit werden und unter Schwerelosigkeit miteinander vermischt werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß eine Tren­ nung des Lösungsmittels von den Reaktionsprodukten nicht notwendig ist. Weiterhin kann mit sehr hohen Konzentrationen der Reaktionspartner gear­ beitet werden, da eine Einschränkung durch zu geringe Löslichkeiten ent­ fällt. Da die Diffusionskonstanten in Gasen höher sind als in Flüssigkeiten, kann mit schnellerem Einstellen von Reaktionsgleichgewichten gerechnet werden. Außerdem entfallen bei lösungsmittelfreien Reaktionen die teil­ weise störenden Reaktionen mit dem Lösungsmittel. Bei chemischen Reaktionen im Weltraum entfallen außerdem die Mengen- und Gewichts­ probleme durch Lösungsmittel.

Um die optimale Struktur der Reaktionspartner zu erhalten, ist es wichtig, die Entfernung des Wassers so zu betreiben, daß die Hydrat­ brücken im Molekül erhalten bleiben, die für die Moleküle strukturbe­ stimmend sind. Das gleiche gilt für die Wasserstoffbrücken. Aus diesem Grunde wird vor Entfernung des Wassers ein für die Funktion der Enzyme optimaler pH über Puffersysteme eingestellt. Für die Funktionsfähigkeit der Reaktionspartner, Enzyme oder Katalysatoren ist es deshalb vorteilhaft, daß die ursprünglich in wäßriger Lösung vorliegenden Reaktionspartner, Enzyme oder Katalysatoren gefrier­ getrocknet oder mittels organischer Lösungsmittel von ihrer wäßrigen Umgebung befreit werden und die organischen Lösungsmittel danach entfernt werden.

Für Enzyme bzw. Katalysatoren, die nur in geringen Mengen zur Verfügung stehen oder sehr teuer sid, ist es ggf. vorteilhaft, die Enzyme oder Katalysatoren an Oberflächen zu binden, die in den Reaktionsraum hineinragen, um dort mit den Substraten in Kon­ takt zu treten. Die Verteilung und der Transport der Substrate kann durch Schallwellen erfolgen. Läßt man im Reaktionsraum mit Hilfe von Schallgebern stehende Wellen entstehen, so kommt es zu einer Konzentrierung der Substrate an den Knotenpunkten der stehenden Wellen. Um eine Substrat-Konzentrierung an den Enzymen bzw. Katalysatoren zu erzielen, werden die stehenden Schallwellen so eingestellt, daß die Knotenpunkte mit den in den Reaktionsraum ragenden Enzymen bzw. Katalysatoren räumlich übereinstimmen.

Wenn Substrate und Enzyme getrennt zugeführt werden, ist es ggf. vor­ teilhaft, zur Unterstützung der räumlichen Zuordnung der Reaktions­ partner, diesen vor Vermischung unterschiedliche Oberflächenladungen zu geben. Dies wird durch elektrostatische Aufladung der voneinander isolierten Aufbewahrungsbehälter der Reaktionspartner bzw. der Enzyme oder Katalysatoren erzielt.

Da verschiedene Reaktionspartner, vor allem aber Enzyme und Proteine in ihrer Ladung, ihrer Tertiär- bzw. Quartärstruktur von der Gasfeuchtigkeit abhängen, muß diese den speziellen Bedürfnissen der beteiligten chemi­ schen Verbindungen angepaßt werden. Deshalb wird zur Beeinflussung der Reaktion die Temperatur, Gasfeuchtigkeit, Gaszusammensetzung und Gas­ dichte geregelt.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren können beliebige Gase verwendet wer­ den und der Gasdruck kann eingestellt werden. Es ist vorteilhaft, durch Regulation des Gesamt-Gasdruckes, bei einer Reaktion entstehendes Wasser in Dampf zu überführen und durch einen Absorber der Reaktion zu entziehen. Diese Möglichkeit besteht auch bei anderen Reaktions­ produkten. Zum Beispiel läßt sich NH₃ als Reaktionsprodukt auf eine ähnliche Weise aus der Reaktion herausnehmen. Der Ort an dem NH₃ gebunden wird, kann z. B. hinter einer semipermeablen Membran außerhalb des Reaktionsraumes liegen.

Durch die hohen Diffusionskonstanten in Gasen läßt sich ein ausreichender Transport von Stoffen über große Entfernungen erzielen. Deshalb ist es möglich, daß der Reaktionsraum durch eine semipermeable Wand von einem Raum getrennt ist, von dem aus Substrate nachgeliefert werden.

Bei gekoppelten Reaktionen, bei denen ein vorläufiges Reaktionsprodukt entsteht, das in einem weiteren Reaktionsschritt verarbeitet werden soll, ist die Kopplung und Trennung von Reaktionskammern über semipermeable Membranen möglich. Für solche gekoppelten Reaktionen sind mehrere Reaktionsräume nebeneinander liegend durch semipermeable Membranen getrennt und eine Kammer gibt ihr Reaktionsprodukt als Substrat an die benachbarte Kammer weiter. Die semipermeablen Membranen sind so aus­ gewählt, daß sie besonders die Produkte passieren lassen, die als Substrat für die benachbarte Kammer dienen.

Häufig verändern sich die Reaktionspartner (vor allem Proteine) durch vorausgegangene chemische und physikalische Reinigungs- oder Anrei­ cherungsverfahren in ihrer Sekundär- bis Quartärstruktur. Um eine Wiederherstellung der gewünschten Strukturen herbeizuführen, ist es möglich, zur Beeinflussung der Molekülstrukturen elektrostatische Wechselfelder, Licht oder Mikrowellen auf die chemischen Substanzen ein­ wirken zu lassen. Die Substanzen, die die gewünschte Struktur haben, können durch nachgeschaltete Reaktionen aus dem Reaktionsraum entfernt werden: z. B. durch Antigen-Antikörperbildung, durch enzymatischen Abbau oder Passage durch semipermeable Membranen. Die verbliebenen Sub­ stanzen mit nicht gewünschten Sekundär- bis Quartärstrukturen können dann erneut einer strukturändernden Prozedur unterworfen werden.

Zur Aktivierung von Reaktionen können Mikrowellen, Licht oder elektro­ statische Wechselfelder auf die chemischen Substanzen einwirken.

Um eine Anreicherung oder Reinigungen von Proteinen oder Enzymen zu errei­ chen, ist es unter anderem üblich, diese in Form von Kristallen aus Lösun­ gen herauszufällen. Dabei liegt häufig das zu reinigende oder in Kristallen gewünschte Enzym oder Protein in verschiedenen, teils biologisch oder chemisch nicht gewünschten Sekundär- bis Quartärstrukturen vor, so daß eine einheitliche Kristallbildung nicht möglich ist. Ein homogenes Kristallwachstum läßt sich flüssigkeitsfrei auf folgende Weise erzielen: In einer Kammer befin­ den sich einzelne oder mehrere Kristalle der gewünschten Substanzen. In der Kammer dürfen für nicht erwünschte Proteine oder Enzyme keine Bindungsplätze sein, die ähnlich stabil sind, wie die Bindungen im Kristall. Schickt man in diese Kammer ein Gemisch aus Proteinen oder Enzymen mit identischen und abweichenden Strukturen, so lassen sich an den vorgegebenen Kristallen alle identischen Proteine oder Enzyme binden, während die Substanzen mit abweichenden Strukturen aus der Umgebung des Kristalls wieder entfernt werden können. Die Entfernung aus dem Reaktionsraum kann z. B. durch konvektiven Gastransport erfolgen. Nach Durchlaufen von strukturändernden Prozeduren, wie sie in Anspruch 9 und 10 geschildert sind, kann dann das Gemisch erneut an den Kristallen vor­ beigeführt werden.

Um also ein Kristallwachstum von bestimmten Substanzen zu erreichen, sind in einer Kammer kleine Kristalle von diesen Substanzen enthalten, und in diese Kammer werden kontinuierlich oder periodisch Gemische von identischen oder ähnlichen Substanzen eingebracht. Alle Substanzen, die sich nicht in die Kristalle eingebaut haben, werden wieder aus der Reaktionskammer entfernt. Diese Substanzen werden nach einer die Molekülstruktur ändernden Prozedur erneut an die Kristalle in der Kammer herangebracht, um ein kontinuierliches Wachsen der Kristalle zu gewährleisten.

Der Vorteil dieser flüssigkeitsfreien Kristallzucht liegt in der großen Gewichtseinsparung durch nicht benötigte Lösungsmittel. Da bestimmte wichtige Kristalle nur unter Schwerelosigkeit in ausreichender Größe zu züchten sind, ist der Gewichtsvorteil von sehr großer Bedeutung. Außerdem sind die Diffusionskonstanten in Gasen wesentlich höher, so daß die Kristallbildung wesentlich schneller erfolgen kann. Bei lö­ sungsmittelabhängigem Kristallwachstum muß zur Ausfällung der Kristalle eine sehr genaue und aufwendige Temperaturführung der Lösung gewährleistet sein. Dieser Aufwand entfällt bei der vorgeschlagenen Vorgehensweise vollkommen. Durch die Kopplung der Anreicherung in Kristallen mit strukturverändern­ den Maßnahmen kann die Ausbeute bei der Isolierung von erwünschten Proteinen und Enzymen aus Gemischen wesentlich erhöht werden.

Claims (11)

1. Anordnung und Verfahren zur Durchführung chemischer Reaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionspartner, Enzyme bzw. Katalysatoren von Lösungsmitteln befreit werden und unter Schwerelosigkeit miteinander vermischt werden.

2. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ursprünglich in wäßriger Lösung vorliegenden Reaktionspartner, Enzyme oder Katalysatoren gefriergetrocknet oder mittels organischer Lösungsmittel von ihrer wäßrigen Umgebung befreit und die organischen Lösungsmittel danach entfernt werden.

3. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzyme oder Katalysatoren an Oberflächen haften, die in den Reaktionsraum ragen und mit den Substraten dort in Kontakt treten können.

4. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung oder der Transport der chemischen Substanzen im Raum durch Schallwellen erfolgt.

5. Anordnung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionspartner bzw. die Enzyme, Katalysatoren und Substrate unterschiedliche Oberflächenladungen haben.

6. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Reaktion die Temperatur, Gasfeuchtigkeit, Gaszusammensetzung und Gasdichte einstellbar sind.

7. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktionsraum durch eine semipermeable Wand von einem Raum getrennt ist, von dem aus Substrate nachgeliefert werden.

8. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere nebeneinanderliegende Reaktionsräume durch semipermeable Membranen getrennt sind und eine Kammer ihr Reaktionsprodukt als Substrat an die benachbarte Kammer weitergibt.

9. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Molekül­ strukturen elektrostatische Wechselfelder, Licht oder Mikrowellen auf den Reaktionsraum wirken.

10. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aktivierung der Reaktion Mikrowellen, Licht oder elektrostatische Wechselfelder auf die chemischen Substanzen einwirken.

11. Anordnung und Verfahren nach einem oder mehreren der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Kammer Kristalle einer anzureichernden Substanz enthalten sind, in diese Kammer kontinuierlich oder periodisch Gemische von identischen oder ähnlichen Substanzen eingebracht werden und alle Substanzen wieder herausgebracht werden, die sich nicht in die Kristalle eingebaut haben, sowie die aus der Kammer entfernten Substanzen, nach einer die Molekülstruktur ändernden Prozedur, erneut an die Kristalle in der Kammer herangebracht werden, um ein kontinuierliches Wachsen der Kristalle zu gewährleisten.