DE69106106T2

DE69106106T2 - Vorrichtung zur Züchtung von Kristallen unter zugangsbeschränkten Bedingungen.

Info

Publication number: DE69106106T2
Application number: DE69106106T
Authority: DE
Inventors: Koji Asano; Makoto Gotoh; Kotaro Oka; Atsushi Shiraishi
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1990-10-25
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: US5362325A; JP2740375B2; EP0482946B1; DE69106106D1; CA2054123A1; JPH04367599A; EP0482946A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen, und insbesondere die Bauform einer Vorrichtung zum Ziehen von Kristallen aus einer Lösung, in einer Umgebung, in der die Möglichkeit des Zugangs zu der Vorrichtung eingeschränkt ist.
Die Synthese neuartiger Materialien im Weltraum schafft neue Perspektiven auf dem Gebiet der Halbleiterforschung, der Materialforschung und der biologischen Forschung. Insbesondere erwartet man sich von dem Ziehen von Kristallen im Weltraum die Schaffung neuer Materialien mit einzigartigen Eigenschaften, aufgrund der Mikrogravitationsbedingungen, in denen diese Materialien gebildet werden.
Beim Entwerfen der experimentellen Vorrichtung für derartige Raumexperimente müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, die das Weltraumexperiment charakterisieren, wie etwa die enormen Kosten für den Transport der experimentellen Vorrichtungen in den Weltraum, und die begrenzte Möglichkeit des Zugangs zu der experimentellen Vorrichtung. Wenn die Vorrichtung auf ein unbemanntes Raumfahrzeug, wie etwa einen Satelliten, gebracht wird, muß der gesamte Betrieb des Experiments ohne menschlichen Eingriff durchgeführt werden. Selbst wenn die Vorrichtung auf einem bemannten Raumfahrzeug, wie etwa einer Raumstation oder einem Raumtransporter, mitgenommen wird, ist die Zeit oder die Eingriffsmöglichkeit, die einem Betreiber oder Astronauten für den Betrieb der Vorrichtung zur Verfügung steht, im allgemeinen begrenzt. Andererseits wird für die Experimente zum Verarbeiten von Materialien im allgemeinen ein beträchtlicher Zeitraum benötigt, und die Vorrichtung muß während eines langen Zeitraums kontinuierlich betrieben werden.
Ein wichtiges Gebiet derartiger Experimente im Weltraum ist das Ziehen von Proteinkristallen unter der Bedingung der Mikrogravitation. Das Ziehen von Proteinkristallen ist ein sowohl wichtiger als auch grundlegender Schritt zum Bestimmen der molekularen Struktur und zum Erforschen der Beziehung zwischen der Struktur und der Funktion der Proteinmoleküle. Aufgrund der Bestimmung der molekularen Struktur wird die Möglichkeit der gezielten Herstellung der Proteine mit der gewünschten Funktion erwartet. Dies ist eines der Hauptziele der Proteinsynthese.
Es wird darauf hingewiesen, daß ein Proteinkristall größer als ungefähr 0,3 mm x 0,3 mm x 0,3 mm fur die genaue Bestimmung der Molekülstruktur mit Hilfe der Röntgendiffraktionsanalyse benötigt wird. Das Ziehen eines derartigen Proteinkristalls wird im allgemeinen aus einer Lösung vorgenominen. Auf der Erde ist ein derartiger Kristallisationsprozeß unweigerlich mit Konvektion begleitet, die in der Lösung stattfindet, und eine Wiederholung der gleichen experimentellen Bedingungen zum Erzielen der gleichen Qualität des Proteinkristalls ist extrem schwierig. Des weiteren muß die Sedimentation aufgrund der Schwerkraft der Proteinkristalle in der Lösung berücksichtigt werden, die unweigerlich eine Inhomogenität in der Zusammensetzung des Kristalls verursacht.
In Anbetracht der oben geschilderten Probleme zieht das Experiment im Weltraum zum Ziehen von Proteinkristallen unter der Bedingung der Mikrogravitation die Aufmerksamkeit verschiedener Forscher auf sich, da eine derartige Umgebung mit Mikrogravitation keine Konvektion verursacht, wenn Proteinkristalle gezogen werden. Im weiteren wird eine Umgebung mit Mikrogravitation als eine Umgebung definiert, in der die Beschleunigung im allgemeinen kleiner als 10&supmin;² G ist.
Im allgemeinen wird das Ziehen von Proteinkristallen durch Steuern der Löslichkeit einer Proteinlösung mittels Kristallisationssubstanzen erreicht. Derartige Kristallisationssubstanzen enthalten anorganische Salze, wie etwa Ammoniumsulfat, Natriumchlorid, Natriumphosphat etc., als auch organische Verbindungen, wie etwa Ethanol, Methanol, Aceton, Methylpentandiol (MPD) etc., und verursachen eine Abnahme der Löslichkeit der Proteinlösung. Herkömmlich wurde das Ziehen von Proteinkristallen mittels verschiedener Verfahren durchgeführt, von denen einige im folgenden angegeben sind.

- a) CHARGEN-VERFAHREN

Aus einer Mischung der Lösung eines Proteins und einer Kristallisationssubstanz. Dabei wird die Mischung für die Kristallisation belassen.

- b) GRADIENTEN-VERFAHREN

Anderung der Konzentration der Kristallisationssubstanz durch Schaffen eines Konzentrationsgradienten. Dabei wird ein optimales Kristallwachstum bei einen optimalen Konzentrationsniveau erreicht.

- c) DIALYSE-VERFAHREN

Trennen der Proteinlösung und der Lösung, die die Kristallisationssubstanz enthält, mittels einer semipermeablen Membrane. Dabei wird die Kristallisation mittels Transport von Wasser oder einer Kristallisationssubstanz durch die semipermeable Membrane erreicht.

- d) FREIES GRENZFLÄCHEN-DIFFUSIONS-VERFAHREN

Schaffen einer Proteinlösung und einer Lösung, die eine Kristallisationssubstanz enthält, wobei die beiden Lösungen einander benachbart sind, um die Kristallisation an der Schnittstelle zwischen den Lösungen durchzuführen.

- e) DAMPF-DIFFUSIONS-VERFAHREN

Schaffen der Proteinlösung und der Lösung, die eine Kristallisationssubstanz enthält, wobei beide Lösungen getrennt sind. Die Kristallisation wird erreicht, indem Wasserdampf oder Dampf der Kristallisationssubstanz transportiert wird, wobei der Dampf eine Differenz in dem Dampfdruck zwischen der Proteinlösung und der Lösung, die die Kristallisationssubstanz enthält, verursacht.
In den Fig. 1 und 2 sind Vorrichtungen gezeigt, die gewöhnlich in Raumfahrzeugen verwendet werden, um Proteinkristalle zu kristallisieren, wobei die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung verwendet wird, um die Kristallisation entsprechend dem Chargen-Verfahren durchzuführen. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung andererseits erzeugt eine Kristallisation entsprechend dem Dampf-Diffusions-Verfahren.
In Fig. 1 bildet ein Block 21 einen Vorrichtungskörper, und eine Mehrzahl von Spritzeneinheiten 1&sub1;, 1&sub2;, ... sind in dem Block, 21 ausgebildet. Jede Spritzeneinheit enthält ein Paar von sich gegenüberstehenden Spritzen, in denen jeweils eine Proteinlösung 2 und eine Lösung 3, die eine Kristallisationssubstanz enthält, enthalten sind. Bei Betätigung der Spritzen werden die Proteinlösung und die Kristallisationssubstanz in eine Kristallisationskammer 4 gebracht, die zwischen den sich gegenüberstehenden Spritzen ausgebildet ist, und die Proteinkristalle bilden sich in der Kammer 4.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird ein Rohr 22 aus Kunststoffmaterial zum Ziehen der Proteinkristalle verwendet. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Proteinlösung 2 und die Kristallisationssubstanz 3 in beiden Enden des Kunststoffrohres untergebracht, und die Kommunikation zwischen diesen Teilen wird durch Ventile oder Druckhähne 231 und 232 verhindert. Bei Öffnen der Ventile wird eine Kommunikation zwischen der Proteinlösung 2 und der Kristallisationssubstanz 3 bewerkstelligt. Beispielsweise absorbiert die die Kristallisationssubstanz 3 enthaltende Flüssigkeit Wasser, das auf der Proteinlösung 2 verdampft ist, was zu einer Übersaturierung der Proteinlösung führt.
Bei jedem dieser bekannten Vorrichtungen besteht ein Problem darin, daß die gesamte Vorrichtung einschließlich des Blocks 21 oder des Rohres 22 zusammen mit der Proteinlösung und der die Kristallisationssubstanz enthaltenden Lösung, die der Gegenstand des Experiments sind, in den Weltraum transportiert werden müssen. Dadurch steigen unweigerlich die Transportkosten. Des weiteren muß der Astronaut bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 die Manipulation der Spritze vornehmen. Dadurch muß der Astronaut viel kostbare Zeit verschwenden. Dieses Problem wird insbesondere dann akut, wenn eine große Anzahl von Spritzeneinheiten in Block 21 vorhanden ist.
Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 2 kann die Betätigung der Klemmhähne durch Schaffung eines Betätigungs-Mechanismus automatisiert werden. Jedoch muß ein derartiger Mechanismus für jede Vorrichtung 22 bereitgestellt werden. Dadurch erhöht sich das Gewicht der Vorrichtung unweigerlich. Des weiteren fehlt bei diesen bekannten Vorrichtungen ein automatischer Beobachtungsmechanismus zum automatischen Beobachten und Aufzeichnen des Kristallisationsprozesses. Der Astronaut muß deshalb periodisch kostbare Zeit für das Prüfen des Kristallisationsprozesses aufwenden.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige und nützliche Vorrichtung zum Verarbeiten von Materialien zu schaffen, bei der die oben erwähnten Probleme vermieden werden.
Ein weiteres und spezielleres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Verarbeiten von Materialien, die zum Verfrachten in Raumfahrzeugen geeignet ist, wobei die Transportkosten reduziert sind und die Zeit, die ein Betreiber zum Betreiben der Vorrichtung benötigt, wesentlich gemindert ist.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kristallisation eines Proteins unter Mikrogravitationsbedingungen zu schaffen, wobei Experimente an vielseitigen Kristallwachstumsprozessen vorgenommen werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Ziehen von Proteinkristallen aus einer Proteinlösung zu schaffen, die eine Verarbeitungskammer zum Ziehen des Kristalles, eine oder mehrere Spritzen zum Aufnehmen der Proteinflüssigkeit und/oder einer Kristallisationssubstanzen enthaltenden Flüssigkeit zum Verursachen der Kristallisation in der Lösung enthält, mit einer Übertragungseinrichtung zum Kommunizieren der Spritzen mit der Verarbeitungskammer zum Eingeben von Proteinlösung und/oder eine Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung in die Verarbeitungskammer, aus den jeweiligen Spritzen. Aufgrund der vorliegenden Erfindung wird es möglich, die Vorrichtung so zu betreiben, daß nur die Verarbeitungskammer zurück auf die Erde transportiert wird, während die Vorrantsmenge der Proteinlösung und der die Kristallisationssubstanz enthaltenden Lösung in einer eingestellten Temperaturumgebung der Raumstation verbleiben, zwecks weitergehender Experimente. Dadurch werden die Transportkosten für das Experiment im Vergleich zu dem herkömmlichen Fall wesentlich gemindert, in dem die gesamte Vorrichtung einschließlich der Spritzen mit Hilfe des Spaceshuttle hin und zurück transportiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Spritzen bereitgestellt, zum getrennten Aufnehmen der Proteinlösung und der die Kristallisationssubstanz enthaltenden Lösung, und die Übertragungseinrichtung schickt die die Substanz enthaltende Lösung und die Proteinlösung aus den entsprechenden Spritzen in Wege, die zusammenführen, bevor sie die Verarbeitungskammer erreichen. Entsprechend der vorliegenden Ausführungsform kann die Kristallisation entsprechend dem Chargen-Verfahren durchgeführt werden, wobei eine Mischung aus der Proteinlösung und der die Kristallisationssubstanz enthaltenden Lösung der Verarbeitungskammer zugeführt wird. Des weiteren ermöglicht diese Ausführungsform die Ausführung der Kristallisation entsprechen dem freien Schnittstelle-Diffusions-Verfahren, indem die Betätigungssequenz der Spritzen so geändert wird, daß die Proteinlösung zuerst in die Verarbeitungskammer geschickt wird und anschließend die die Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung in die Verarbeitungskammer geschickt wird, oder in umgekehrter Reihenfolge. In diesem Fall bilden die Proteinlösung und die die Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung eine Schnittstelle in der Verarbeitungskammer.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine dritte Spritze für eine Lösung vorgesehen, die die Kristallisationssubstanz in einer anderen Konzentration enthält. Die Übertragungseinrichtung verbindet die erste und dritte Spritze mit der Verarbeitungskammer und dadurch wird die Konzentration der Kristallisationssubstanz enthaltenden Lösung, die der Verarbeitungskammer zugeführt wird, über der Zeit geändert. Diese Ausführungsform entspricht dem Gradienten-Verfahren.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Proteinlösung in die Verarbeitungskammer auf der Erde eingegeben und darin mit Hilfe einer Dialysemembrane versiegelt. Die Spritze liefert die Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung an die Verarbeitungskammer, um über die Dialysemembrane mit der versiegelten Proteinlösung in Kontakt zu treten. Diese Ausführungsform entspricht dem Dialyse-Verfahren.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Proteinlösung auf der Erde in die Verarbeitungskammer eingegeben und versiegelt. Nach dem Transport in die Raumstation wird der Siegel aufgebrochen, und die Spritze liefert die Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung bei Betätigung in die Verarbeitungskammer. Dabei werden die Proteinlösung und die Kristallisationssubstanz enthaltende Lösung von einer mit Gas gefüllten Trennung auseinandergehalten, und die Kristallisation in der Proteinlösung wird entsprechend dem Dampf-Diffusions-Verfahren durchgeführt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials unter den Bedingungen der Mikrogravitation, mit: einem Rahmen, einer Mehrzahl von Zelleinheiten, die in dem Rahmen vorgesehen sind, wobei jede der Zelleinheiten eine oder mehrere Spritzen zum Aufnehmen von Material enthält, das bei der Materialverarbeitung beteiligt ist, einer Verarbeitungskammer zum Durchführen einer Materialverarbeitung darin, einem Beobachtungsfenster, das an der Verarbeitungskammer vorgesehen ist, und einer Übertragungseinrichtung zum Liefern des in den Spritzen vorhandenen Materials in die Verarbeitungskammer, wobei die Spritzen und die Verarbeitungskammer von der Zelleneinheit abtrennbar sind, und wobei die Mehrzahl von Zelleneinheiten so angeordnet sind, daß die Beobachtungsfenster der Verarbeitungskammern im allgemeinen auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, um in eine erste Richtung zu weisen, einem Spritzen-Betätigungs-Mechanismus, der in bezug auf jede der Zelleinheiten vorgesehen ist, zum individuellen Aktivieren der Spritzen, und einer Beobachtungseinrichtung zum Bewegen entlang der Ebene, zum Beobachten des Fortgangs der Materialverarbeitung in den Verarbeitungskammern der Zelleneinheiten, durch die Beobachtungsfenster.
Bei der vorliegenden Erfindung kann ein Experiment automatisch durchgeführt werden, aufgrund der Verwendung des Spritzen-Betätigungs-Mechanismus und der Beobachtungseinrichtung. Dadurch wird für den Astronauten wesentlich an kostbarer Zeit gewonnen, und die Kosten des Experiments werden gemindert. Zusätzlich kann aufgrund des Austauschs der Spritzen und der Verarbeitungskammer für jedes Experiment die Notwendigkeit des Transportes der gesamten Vorrichtung von der Erde in den Weltraum und von dem Weltraum auf die Erde vermieden werden. Bei einem typischen Beispiel der Erfindung wird nur die Verarbeitungskammer für jedes Experiment von der Erde in den Weltraum transportiert und nach dem Experiment auf die Erde zurückgebracht. Die Spritze wird im Orbit jedes Mal ausgewechselt, wenn mit einem neuen Experiment begonnen wird, indem der Vorrat an Spritzen in der Raumstation verwendet wird. Obwohl bei diesem Beispiel anfänglich die gesamte Vorrichtung in den Orbit transportiert werden muß, sind die Kosten für spätere Phasen des Experiments deutlich gemindert.
Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden genaueren Beschreibung hervor, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
Fig. 1 ist ein Diagramm und zeigt eine herkömmliche Vorrichtung, die zum Ziehen eines Proteinkristalls unter den Bedingungen der Mikrogravitation verwendet wird;
Fig. 2 ist ein Diagramm und zeigt eine weitere herkömmliche Vorrichtung, die zum Ziehen eines Proteinkristalls unter Bedingungen der Mikrogravitation verwendet wird;
Fig. 3A ist eine perspektivische Ansicht und zeigt eine Vorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B ist ein Diagramm und zeigt einen Abdichtmechanismus, der in der in Fig. 3A dargestellten Vorrichtung verwendet wird;
Fig. 4 ist ein Diagramm und zeigt die Gesamtansicht der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung;
Fig. 5 ist ein Diagramm, in dem ein Spritzen-Betätigungs-Mechanismus dargestellt ist, der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung verwendet wird;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das einen automatischen Beobachtungsmechanismus zeigt, der in der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung zum Beobachten des Fortgangs des Wachstums von Proteinkristallen verwendet wird;
Fig. 7 ist ein Diagramm und zeigt das Prizip der Beobachtung, das mit dem in Fig. 6 dargestellten Mechanismus bewerkstelligt wird;
Fig. 8 ist ein Diagramm und zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Kristallisation entsprechend dem Chargen-Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, wobei die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Kristallisation entsprechend dem freien Schnittstellen-Diffusions-Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Kristallisation entsprechend dem Gradienten-Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das das Prizip des Gradienten-Verfahrens zeigt, das in der in Fig. 10 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Kristallisation entsprechend dem Dialyse-Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das das Prizip des Dialyse-Verfahrens darstellt, das mit der in Fig. 12 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung so verbunden ist, daß eine Kristallisation entsprechend dem Dampf-Diffusions-Verfahren durchgeführt wird;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das das Prinzip des Dampf- Diffusions-Verfahrens darstellt, das in der in Fig. 14 dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird, und
Fig. 16 ist ein Diagramm, das eine Abwandlung der in Fig. 15 dargestellten Vorrichtung zeigt.
Fig. 3A zeigt eine perspektivische Ansicht des wesentlichen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend einer ersten Ausführungsform.
In Fig. 3A bildet der wesentliche Teil der Vorrichtung eine Zelleneinheit 16, die eine Mehrzahl von Spritzen 1 enthält, die ähnlich der in Fig. 1 dargestellten Spritze ausgebildet sind, zum Aufnehmen der Proteinlösung und/oder Kristallisationssubstanzen. In der in Fig. 3A dargestellten Vorrichtung werden die Spritzen 1 in einem Block 6 gehalten, der wiederum auf einer Experimentiereinheit 24 befestigt ist. Wie weiter unten beschrieben wird, ist die Experimentiereinheit 24 auf einem Rahmen 15 aufgebracht, der auf dem Rahmen eines Raumfahrzeuges, wie etwa einer Raumstation, befestigt ist und einen Teil des Rahmens 15 bildet. Die Spritzen 1 sind andererseits abtrennbar an dem Block 6 angebracht, um das Experiment für verschiedene Materialien zu wiederholen. Alternativ kann der Block 6 selbst abtrennbar an der Experimentiereinheit 24 befestigt sein.
Jede Spritze 1 weist einen Kolben 30 und eine Auslaßöffnung 1A auf, die mit Hilfe eines Ventilmechanismus geschlosen ist, in dem eine Dichtungsstreifen verwendet wird. Der Dichtungsstreifen 29 ist zwischen einem Paar sich gegenüberstehender Dichtungsringe 61, 62 angeordnet, wie in Fig. 3B dargestellt, wobei der Dichtungsring 62 an der Seite des Streifens 29 vorgesehen ist, die an der Auslaßöffnung 1a liegt, während der andere Dichtungsring 61 an der anderen Seite des Dichtungsstreifens 29 angeordnet ist, die an der Öffnung eines Rohres 51 liegt, das ein Verbindungssystem 50 der Vorrichtung bildet, zum Liefern der Proteinlösung oder der Kristallisationssubstanz. Der Dichtungsstreifen 29 ist mit einer Anzahl von Öffnungen 29a ausgebildet, wie in Fig. 3B dargestellt, und die Verbindung zwischen der Auslaßöffnung 1a und dem Verbindungssystem 50 wird hergestellt oder unterbrochen, indem eine Zugfahne 29b bewegt wird, die an dem Ende des Dichtungsstreifens 29 ausgebildet ist.
Bei dem dargestellten Beispiel sind zwei Arten von Spritzen 1P und 1A vorgesehen, wobei die Spritzen 1P eine Proteinlösung 2 und die Spritzen 1A eine eine Kristallisationssubstanz 3 enthaltende Lösung enthalten.
Das Verbindungssystem 50 verbindet die Spritze 1 in dem Block 6 mit einem Zellenblock 7, in dem eine Mehrzahl von Verarbeitungskammern 4 ausgebildet ist. Wie in Fig. 3A dargestellt, wird die Verbindung zwischen dem Zellenblock 7 und dem Verbindungssystem 50 mit Hilfe eines Ventilmechanismus hergestellt oder unterbrochen, indem der Dichtungsstreifen 29 verwendet wird. In dem Zellenblock 7 ist jede Verarbeitungskammer 4 mit einem oder mehr Rohren 51 verbunden, wie weiter unten beschrieben wird, und die Kristallisation des Proteins findet in der Verarbeitungskammer 4 statt. Um den Fortgang der Kristallisation zu beobachten ist ein Beobachtungsfenster 19 für jede Verarbeitungskammer 4 vorgesehen. Es wird darauf hingewiesen, daß der Zellenblock 7 auf dem Körper 24 der Zelleneinheit 16 abtrennbar befestigt ist, wobei er in einer vorherbestimmten Orientierung derart ausgerichtet ist, daß die Beobachtungsfenster 19 auf der gleichen Seite des Zellenblocks 7 ausgebildet sind, wie in Fig. 3A gezeigt.
Des weiteren ist ein Sammelblock 8 vorgesehen, der einen abtrennbaren Rückgewinnungsbehälter 5 enthält, der über ein Rohr 52 in Verbindung mit den Verarbeitungskammern 4 des Zellenblocks 7 steht und zum Sammeln der aus der Verarbeitungskammer 4 ausgedrückten Lösung vorgesehen ist. Die Verbindung zwischen dem Zellenblock 7 und dem Rückgewinnungsbehälter 5 wird über das Rohr 52 hergestellt, und ein Ventilmechanismus ist vorgesehen, indem der Dichtungsstreifen 29 verwendet wird, der weiter oben mit Bezug auf Fig. 33 beschrieben worden ist, zum Steuern der Verbindung.
Fig. 4 zeigt die Gesamtkonstruktion der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, eingebaut in einem Rahmen 15, der an dem Rahmen eines Raumfahrzeugs, wie etwa einer Raumstation befestigt wird.
In Fig. 4 sind die Zellenblöcke 16 an der Experimentiereinheit 24 befestigt, die wiederum an dem Rahmen 15 wie eine Schublade angebracht ist. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Anzahl derartiger Experimentiereinheiten 24 an dem Rahmen 15 angebracht sind. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist die Experimentiereinheit 24 gleitbar an dem Rahmen 15 befestigt und wird daraus hervorgezogen, indem eine Sperre 27 freigegeben wird. Des weiteren ist an dem Bodenteil des Rahmens 15 eine Stromversorgungseinheit 25 vorgesehen. Der Rahmen 15 enthält eine Auskleidung, die den Raum innerhalb des Rahmens 15 umschließt, und für diesen Raum ist ein Temperatur- Regulierungs-Mechanismus vorgesehen, der weiter unten beschrieben wird.
Fig. 5 zeigt einen Spritzen-Betätigungs-Mechanismus 17, der an der Experimentiereinheit 24 in Verbindung mit der Zelleneinheit 16 angebracht ist, zum Betätigen des Kolbens 30 der Spritze 1. In Fig. 5 enthält der Spritzen-Betätigungs-Mechanismus 17 eine Druckplatte 31, die mit dem Kolben 30 zusammenwirkt, wobei die Druckplatte 31 in die Richtung der in Fig. 5 dargestellten Pfeile bewegt wird, mit Hilfe einer Schraube 32, die mit der Druckplatte 31 verankert ist. Um die Schraube 32 anzutreiben, ist ein Schrittmotor 33 vorgesehen, der die Schraube 32 in Abhängigkeit eines Steuersignals antreibt, das an ihn von einer nicht dargestellten externen Steuervorrichtung geliefert wird. Durch Steuerung des Schrittmotors 33 sind verschiedene Experimente möglich, wie weiter unten beschrieben wird. Um die Spritzen jeweils individuell zu betätigen, kann ein Betätigungs-Mechanismus 17 für jede der Spritzen 1 vorgesehen sein. Es ist jedoch vorteilhaft, den Spritzen-Betätigungs-Mechanismus 17 so auszulegen, daß eine Mehrzahl ausgewählter Spritzen gleichzeitig betätigt werden kann.
Um die Temperatur bei den Experimenten zu steuern, enthält jede Experimentiereinheit 24 einen Temperatur-Regulierungs-Mechanismus 18, der ein Peltierelement 34 enthält. Das Peltierelement 34 tritt in Kontakt mit einem Hitzeleiterteil 35, das an der Oberseitenfläche des Zellenblocks 7 vorgesehen ist und die Temperatur innerhalb der Verarbeitungskammer 4 steuert. In der dargestellten Ausführungsform tritt das Peltierelement 34 deshalb von oben in Kontakt mit dem Zellenblock 7, über das Hitzeleitteil 35. Über dem Peltierelement ist ein Kühlteil 36 vorgesehen, das einen Durchgang 36a für Kühlwasser enthält, und ein thermischer Isolator 37 ist vorgesehen, um den Zellenblock 7 abzudecken. Die Verankerung zwischen dem Peltierelement 34 und dem Hitzeleitteil 35 wird erreicht, wenn die Experimentiereinheit 24 an dem Rahmen 15 angebracht ist. Dies kann beispielsweise durch Anheben des Körpers der Einheit 24 bewerkstelligt werden, nach Betätigung der Sperre 27. Da dieser Mechanismus für die Offenbarung der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist, und da die Bauform eines derartigen Mechanismus für einen Fachmann offensichtlich ist, wird eine weitere Beschreibung hier weggelassen.
Um eine automatische Beobachtung des Fortgangs der Kristallisation zu erhalten, die in der Verarbeitungskammer 4 statt-findet, wird in der vorliegenden Erfindung das im folgenden beschriebene automatische Beobachtungssystem verwendet.
Es wird darauf hingewiesen, daß die in Fig. 3 dargestellten Beobachtungsfenster 19 der Verarbeitungskammern 4 auf der gleichen Seite des Körpers der Zelleneinheit 7 ausgebildet sind.
Fig. 6 zeigt das automatische Beobachtungssystem. Das System enthält einen festen Rahmen oder eine Leitschiene 41, die an dem Rahmen 15 befestigt ist und einen bewegbaren Rahmen 42, der durch einen Motor 43 entlang der Führungsschiene 41 in vertikaler Richtung V bewegt wird. Der bewegbare Rahmen 42 bildet wiederum eine Führungsschiene, die sich in horizontaler Richtung H erstreckt und eine Beobachtungseinheit 20 trägt, die in Abhängigkeit der Betätigung eines Motors 43 in horizontaler Richtung bewegt werden kann. Dadurch wird die Beobachtungseinheit 20 in dem Rahmen 15 entlang einer vertikalen Ebene bewegt, die den Beobachtungsfenstern 19 der Verarbeitungskammern 14 zugewandt ist. Es wird darauf hingewiesen, daß, wie in Fig. 6 dargestellt, eine Anzahl von Zellenblöcken 7&sub1;, 7&sub2;, 7&sub3;, ... in dem Rahmen 15 entsprechend einer jeden Experimentiereinheit 24 gestapelt sind. Auf diese Weise wird durch Anbringen des in Fig. 6 dargestellten automatischen Beobachtungssystems in der Mitte des in Fig. 4 dargestellten Rahmens 15 und durch Anbringen der Beobachtungseinheit 20 an der Rückseite des bewegbaren Rahmens 42 die Beobachtung aller Verarbeitungskammern 4 in dem Rahmen 15 möglich.
Fig. 7 zeigt den Aufbau der in Fig. 6 dargestellten Beobachtungseinheit 20. In Fig. 7 enthält die Beobachtungseinheit 20 eine Lichtquelle 3B aus Licht emittierenden Dioden (LED) oder dergleichen zum Beleuchten der Verarbeitungskammer 4 und eine CCD-Kamera 41 zum Beobachten der Kammer 4 durch das Fenster 19. Um das Licht aus der Kammer 4 in die Kamera 41 zu leiten, können verschiedene optische Elemente, wie etwa ein Spiegel 39 und ein Linsensystem 40 verwendet werden. Der Ausgang der CCD-Kamera 41 kann in dem Speicher einer nicht dargestellten Steuereinheit gespeichert werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß bei der vorliegenden Erfindung eine Flexibilität in der Verbindung der Spritzen 1 in dem Block 6 mit den Verarbeitungskammern in dem Zellenblock 7 besteht. Durch Anderung des Verbindungssystems 50 können verschiedene Experimente mit der gleichen experimentellen Vorrichtung durchgeführt werden. Im weiteren werden verschiedene Experimente, die mit der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung verwirklicht werden können, beschrieben.
Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Kristallisation der Proteinkristalle mit Hilfe des Chargen-Verfahrens verwendet wird. Dieses Diagramm entspricht dem in Fig. 3A dargestellten Grundriß. Es wird darauf hingewiesen, daß der Block 6 für die Spritzen 1 und der Block 7 für die Verarbeitungskammern 4 jeweils zueinander benachbart angeordnet sind, und die Spritzen 1 in dem Block 6 ausgebildet sind.
Bei dieser Ausführungsform sind die Spritzen 6 so angeordnet, daß sie Paare in dem Block 6 bilden, und jedes Paar enthält eine Spritze 1P, in der eine Proteinlösung 2 enthalten ist, und eine 1A, in der die Kristallisationssubstanz 3 enthalten ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Betätigungs-Mechanismus 17 so ausgelegt, daß ein Paar benachbarter Spritzen 1P und 1A für die Proteinlösung 2 und die Kristallisationssubstanz 3 gleichzeitig betätigt werden. Wie dargestellt, weist die Spritze 1P für die Proteinlösung 2 einen Auslaßdurchgang 51&sub2; auf, der sich in den Block 6 erstreckt, währen die Spritze 1A für die Kristallisationssubstanz einen Auslaßdurchgang 51&sub1; aufweist, der sich ebenfalls in den Block erstreckt. Die Durchgänge 51&sub1; und 51&sub2; sind miteinander vereinigt, um einen einzigen Durchgang 51 zu bilden, der mit der Verarbeitungskammer 4 des Zellenblocks 7 verbunden ist. Es wird darauf hingewiesen, daß die Durchgänge 51, 51&sub1; und 51&sub2;, so wie sie in Fig. 8 dargestellt sind, in der Regel als biegsame Rohre ausgeführt sind.
Wenn mit einem Experiment begonnen wird, so wird der Spritzenblock 6, der die Spritzen 1A und 1P trägt, die mit der Kristallisationssubstanz und der Proteinlösung gefüllt sind, aus der regulierten Temperaturumgebung herausgenommen und auf die Experimentiereinheit 24 angebracht. Nach der Anbringung werden die Rohre 51&sub1; und 52&sub2; mit den jeweiligen Auslaßöffnungen der Spritzen 1A und 1P verbunden. Und der Dichtungsstreifen 29 wird betätigt, um die Verbindung zwischen den Spritzen 1 und der Verarbeitungskammer 4 herzustellen. Des weiteren werden die Verarbeitungskammern 4 mit dem Rückgewinnungsbehälter 5 von Block 8 über das Rohr 52 verbunden. Damit ist die Zelleneinheit 16, die aus Block 6, Block 7 und Block 8 besteht, fertig zum Beginnen des Experiments.
Bei Betätigung beider Spritzen 1P und 1A werden die Proteinlösung 2 und die Kristallisationssubstanz 3 in dem Rohr 51 gemischt und in die Verarbeitungskammer 4 eingebracht. Aufgrund des Einbringens der Mischung in die Kammer 4 wird die Luft, die die Kammer 4 ausgefüllt hat, aus ihr herausgedrückt und in den Rückgewinnungsbehälter 5 über das Rohr 52 eingebracht. Nachdem die Mischung so in die Kammer 4 eingeführt worden ist, wird die Mischung ruhig gehalten, um die Kristallisation zu bewirken. Im allgemeinen ist ein vollständiges Vermischen der Proteinlösung 2 und der Kristallisationssubstanz 3 für dieses Experiment nicht notwendig, und eine ausreichende Durchmischung wird erreicht durch einfaches Zusammenführen der Durchgänge 51&sub1; und 51&sub2;. Natürlich kann eine Rühreinrichtung oder andere Einrichtung vorgesehen sein, um eine vollständige Durchmischung in dem Rohr 51 zu bewirken. An einer mittleren Stelle des Rohres 51 kann des weiteren eine Blasenfalle 14 vorgesehen sein, um Luftblasen zu beseitigen. Eine derartige Blasenfalle kann leicht aus einem Schwamm aus hydrophoben Fasern hergestellt werden. Während der Kristallisation wird der Fortgang des Verfahrens von der Beobachtungseinheit 20 periodisch überwacht, wie weiter oben schon-beschrieben ist.
Nachdem das Experiment beendet ist, wird der Dichtungsstreifen 29 für den Zellenblock 7 betätigt, um die Kammer 4 zu versiegeln, und der Zellenblock 7 wird von dem Körper der Experimentiereinheit 24 abgetrennt. Der Zellenblock 7 enthält Proteinkristalle in der Verarbeitungskammer 4 und wird auf die Erde zurückgebracht. Des weiteren kann der Spritzenblock 6 abgetrennt werden und gleichfalls auf die Erde zurückgebracht werden.
Im weiteren wird eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für das Diffusions-Verfahren mit freier Grenzfläche unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist der Aufbau der Vorrichtung im wesentlichen identisch mit der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung, mit der Ausnahme, daß der Betätigungs- Mechanismus 17 jetzt die Spritzen nacheinander betätigt, derart, daß die Proteinlösung 2 zuerst in die Kammer 4 eingebracht wird und die Kristallisationssubstanz 3 anschließend in die Kammer 4 eingebracht wird, oder in umgekehrter Reihenfolge. Um diese Betätigungssequenz zu erreichen, sind zwei der Spritzen 1A für die Kristallisationssubstanz 3 einander benachbart angeordnet, für eine gleichzeitige Betätigung. In gleicher Weise sind zwei der Spritzen 1P für die Proteinlösung 2 zueinander benachbart angeordnet, für eine gleichzeitige Betätigung.
Aufgrund der aufeinanderfolgenden Betätigung der Spritze 1P und der Spritze 1A ist eine Grenzfläche in der Verarbeitungskammer 4 zwischen der Proteinlösung 2, die zuerst eingebracht worden ist, und der Kristallisationssubstanz 3, die anschließend eingebracht worden ist, angeordnet, und es kann erreicht werden, daß die Kristallisation an der Grenzfläche stattfindet. Auf diese Weise wird mittels dieser Ausführungsform das Diffusions-Verfahren mit freier Grenzfläche durchgeführt.
Fig. 10 zeigt eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen der Kristallisation entsprechend dem Gradienten-Verfahren. Um das Gradienten- Verfahren durchzuführen, enthält die vorliegende Ausführungsform eine Abwandlung des Aufbaus der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung. In Fig. 10 ist nur das wesentliche Teil dargestellt, zum Zweck der Einfachheit der Zeichnung und der Beschreibung. Es wird darauf hingewiesen, daß Fig. 10 eine schematische Grundrißansicht der Vorrichtung darstellt. Siehe Fig. 3 zum Vergleich.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind Spritzen 1P und 1A in dem Block 6 zum Aufnehmen der Proteinlösung 2 und der Kristallisationssubstanz 3 getrennt ausgebildet. Des weiteren sind die Rohre 51&sub1; und 51&sub2; mit dem Block 6 verbunden. Ähnlich wie in der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform vereinigen sich die Rohre 51&sub1; und 51&sub2;, um einen einzigen Durchgang 51 zu bilden, der mit der Verarbeitungskammer 4 in dem Zellenblock 7 über ein biegsames Rohr 51' verbunden ist. Die Verarbeitungskammer 4 ist des weiteren mit dem Rückgewinnungsbehälter 5 über den Durchgang 52 verbunden, der ebenfalls als biegsames Rohr ausgebildet ist.
An einer mittleren Stelle des Durchgangs 51&sub1; ist ein Behälter 10 zum Aufnehmen einer Kristallisationssubstanz 3' vorgesehen, die eine Konzentration aufweist, die unterschiedlich zu derjenigen der Kristallisationssubstanz 3 in der Spritze 1A ist. In dem Behälter 10 ist eine Rühreinrichtung 10a zum Bewirken einer Rührbewegung vorgesehen.
Bei Betätigung der Spritze 1 wird somit der Inhalt des Behälters 3' zuerst zusammen mit der Proteinlösung 2 in die Verarbeitungskammer 4 eingebracht. Bei kontinuierlicher Betätigung beginnt die Substanz 3 in der Spritze 1A in den Behälter 10 eingeführt zu werden, wo die Substanz 3 mit der darin befindlichen Substanz 3' vermischt wird. Somit ändert sich die Konzentration der Kristallisationssubstanz-Mischung, die in die Verarbeitungskammer 4 über den Durchgang 51 und das Rohr 51' eingebracht wird, mit der Zeit.
Eine derartige Änderung der Konzentration der Kristallisationssubstanz-Mischung mit der Zeit bewirkt wiederum einen Gradienten in der Konzentration der Kristallisationssubstanz in der Verarbeitungskammer 4, da die Kristallisationssubstanz-Mischung zusammen mit der Proteinlösung 2 allmählich in die Kammer 4 eingeführt wird. Bei dieser Ausführungsform der vorliegende Erfindung ist die Verarbeitungskammer 4 dabei mit einer Vorrichtung zum Festlegen des Konzentrations-Gradienten der Kristallisationssubstanz in der Kammer 4 vorgesehen, um verschiedene Kristallisationsbedingungen zu erzeugen.
Fig. 11 zeigt eine Verarbeitungskammer 4, die mit einer Vorrichtung 44 zum Festlegen des Konzentrations-Gradienten versehen ist.
In Fig. 11 ist die Verarbeitungskammer 4 der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus einem durchsichtigen, biegsamen Rohr ausgebildet, und die Vorrichtung 44 wird von einem Paar sich gegenüberstehender kammartiger Elemente 44a und 44b gebildet, von denen jede eine Anzahl von Zähnen 45 aufweist. Bei Betätigung der Vorrichtung 44 werden die sich gegenüberstehende Elemente 44a und 44b gegeneinander gedrückt, derart, daß alle der sich gegenüberstehenden Zähne 45 ineinander eingreifen. Dadurch wird das biegsame Rohr, das die Verarbeitungskammer 4 bildet, in eine Anzahl von Zellen unterteilt, die jeweils durch ein bestimmtes Konzentrationsniveau der Kristallisationssubstanz-Mischung gekennzeichnet ist. Durch Belassen der Kammer 4 während einer vorherbestimmten Zeitspanne kann bei Aufrechterhaltung dieses Zustandes eine gleichzeitige Kristallisation von Proteinkristallen unter verschiedenen Bedingungen in den jeweiligen Zellen verwirklicht werden.
Fig. 11 zeigt des weiteren die Ventile, die von dem Dichtungsstreifen 29 verwirklicht werden. Vor dem Anfang des Experiments unterbricht der Dichtungsstreifen 29 die Verbindung zwischen entsprechenden Teilen des Blocks 6, um die Spritzen 1 in dem Block abzudichten. Bei Beginn des Experiments wird der Dichtungsstreifen 29 betätigt, um eine Verbindung herzustellen, und das vorhergehende Einführen der Proteinlösung 2 und der Kristallisationssubstanzen 3 und 3' in die Verarbeitungskammer 4 wird aufgrund der Betätigung der Spritzen bewirkt. Nachdem die Kristallisation beendet ist, werden beide Enden des biegsamen Rohrs, das die Verarbeitungskammer 4 bildet, mit einem Abdrückhahn 29' oder dergleichen verschlossen, und die Verarbeitungskammer 4 wird zwecks Rücktransport zur Erde entfernt. Während des Rücktransports verbleibt die Vorrichtung 44 in dem betätigten Zustand, derart, daß die Verbindung zwischen den Zellen in der Kammer 4 unterbrochen ist.
Fig. 12 zeigt eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In dieser Ausführungsform hat die Vorrichtung eine Struktur, die ähnlich derjenigen der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung ist, mit der Ausnahme, daß die Proteinlösung 2 in der Verarbeitungskammer 4 gehalten wird und darin mittels einer Dialysemembrane 11 versiegelt ist. Wie in Fig. 12 gezeigt, ist die Proteinlösung in einer inneren Kammer 4a, die in der Kammer 4 vorgegeben ist, von einer Membrane 11 eingeschlossen. Dadurch werden die gesamten Spritzen 1 verwendet, um die Kristallisationssubstanz aufzunehmen. Bei dieser Ausführungsform werden für das Experiment zwei Kristallisationssubstanzen 3 und 3' verwendet, die unterschiedliche Konzentrationsniveaus aufweisen. Dabei sind zwei Arten von Spritzen ausgebildet, eine Spritze 1A für die Substanz 3 und eine Spritze 1A' für die Substanz 3', beide in dem Block 6 angeordnet, wobei alle Spritzen gemeinsam mit dem Durchgang 51 verbunden sind, der sich zu einer äußeren Kammer 4b erstreckt, die in der Verarbeitungskammer 4 vorgegeben ist. Die äußere Kammer 4b ist von der inneren Kammer 4a durch eine Dialysemembrane 11 getrennt.
In dem Experiment wurde der Block 6 aus der regulierten Umgebung herausgenommen und auf der Experimentiereinheit 24 in Verbindung mit dem Zellenblock 7 befestigt, der die Verarbeitungskammer 4 trägt. Nach Herstellen der Verbindung des Durchgangs 51 mit sowohl der Spritze 1 als auch der Verarbeitungskammer 4, mittels Betätigung des Dichtungsstreifens 29 werden die Spritzen 1A für die Kristallisationssubstanz 3 betätigt. Als Antwort darauf wird die Substanz 3 mit dem geringeren Konzentrationsniveau in die äußere Kammer 4b der Verarbeitungskammer 4 eingeleitet, um die Durchgangswand des Durchgangs 51 zu reinigen. Als nächstes wird die Spritze 1A, betätigt, um die Kristallisationssubstanz 3' mit dem höheren Konzentrationsniveau in die äußere Kammer 4b einzuleiten. Die Substanz 3', die in die äußere Kammer 4b gefüllt war, wird in den Rückgewinnungsbehälter 5 ausgedrückt. Dabei kontaktiert die Kristallisationssubstanz 3' die Proteinlösung 2 über die Dialysemembrane 11 und verursacht die Übersättigung der in der inneren Kammer 4a gehaltenen Proteinlösung 2. Nachdem die Kristallisation durchgeführt ist, wird die Verarbeitungskammer 4 mit Hilfe des Dichtungsstreifens 29 abgedichtet, und der Zellenblock 7 wird zum Zweck des Rücktransports zur Erde entfernt.
Fig. 13 zeigt eine vergrößerte schematische Ansicht der in Fig. 12 gezeigten Vorrichtung, aus der das Prinzip dieser Vorrichtung hervorgeht. Zum Zweck der Einfachheit ist nur ein Paar von Spritzen 1A und 1A' gezeigt. Wie in Fig. 13 gezeigt, sind die Spritzen 1A und 1A' mit der äußeren Kammer 4b der Verarbeitungskammer 4 über den Durchgang 51 verbunden, und die äußere Kammer 4b ist des weiteren mit dein Rückgewinnungsbehälter 5 über den Durchgang 52 verbunden. Der Rückgewinnungsbehälter 5 weist des weiteren ein Luftloch zum Ausführen der in der Kammer 4b befindlichen Luft auf. Die Kristallisationssubstanzen 3 und 3' werden in die äußere Kammer 4b wie oben schon beschrieben eingefüllt, und die Kristallisation findet in der Proteinlösung 2 in der inneren Kammer 4a als Ergebnis des Transportes von Materialien durch die Dialyseinembrane 11 statt. Beispielsweise kann das Wasser in der Lösung 2 über die Membrane 11 zu der Kristallisationssubstanz 3 transportiert werden, und die Übersättigungsbedingung entsteht in der Lösung 2.
Fig. 14 zeigt eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Durchführen der Kristallisation von Protein, gemäß dem Dampf-Diffusions-Verfahren.
Bei dieser Ausführungsform ist die Verarbeitungskammer 4 aus der inneren Kammer 4a und der äußeren Kammer 4b in ähnlicher Weise wie in der vorherigen Ausführungsform ausgebildet, wobei die innere Kammer 4a mit der Proteinlösung 2 aus der Spritze 1P versorgt wird und die äußere Kammer 4b mit der Kristallisationssubstanz 3 aus der Spritze 1A versorgt wird. Der Unterschied der hier dargestellten Ausführungsforin mit der vorherigen besteht bei der Auslegung der Verarbeitungskammer 4 darin, daß die innere Kammer 4a und die äußere Kammer 4b miteinander in Verbindung stehen, anstelle durch die Membrane getrennt zu sein, wie dies bei der vorherigen Ausführungsform der Fall war. Die Unterscheidung zwischen der inneren Kammer 4a und der äußeren Kammer 4b ist somit willkürlich, mit der Ausnahme, daß sie an sich gegenüberstehenden Enden der Verarbeitungskammer 4 ausgebildet sind. Die anderen Teile der Vorrichtung sind im wesentlichen identisch mit denen der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung.
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Teile der in Fig. 14 dargestellten Vorrichtung, in vergrößertem Maßstab. Zum Zweck der Übersichtlichkeit der Darstellung ist nur ein Paar von Spritzen 1P und 1A gezeigt.
Wie in Fig. 15 dargestellt, wird die Proteinlösung 2 in der Spritze 1P in die innere Kammer 4 der Verarbeitungskammer eingeleitet, während die Kristallisationssubstanz 3 in der Spritze 1A einem Flüssigkeit zurückhaltenden Element 13, wie etwa einem Schwamm, zugeführt wird, das in der äußeren Kammer 4b der Verarbeitungseinheit 4 angeordnet ist. Dadurch wird der direkte Kontakt der Proteinlösung 2 und der Kristallisationssubstanz 3 verhindert. Die Kristallisation geschieht in der Proteinlösung als Folge des Transports von Materialien zwischen der Lösung 2 und der Substanz 3 in Form von Dampf.
Fig. 16 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 14 gezeigten Vorrichtung, wobei die Proteinlösung 2 in der inneren Kammer 4a der Verarbeitungskammer 4 mittels einer Abdichtung abgedichtet wird, die, wie weiter oben beschrieben, durch den Dichtungsstreifen 29 realisiert ist. Nach Aufbringen des Zellenblocks 7 auf die Experimentiereinheit 24 wird die Abdichtung mittels Betätigung des Dichtungsstreifens 29 unterbrochen. Des weiteren werden die Spritzen 1A zum Aufnehmen der Kristallisationssubstanz 3 betätigt, und die Kristallisationssubstanz 3 wird an das Flüssigkeit zurückhaltende Element 13 überführt. Dort wird die Kristallisation des Proteins in der Lösung 2 entsprechend dem Dampf-Diffusions-Verfahren auf ähnliche Weise wie in der in Fig. 14 dargestellten Ausführungsform erreicht.
Wie oben beschrieben ermöglicht die vorliegende Erfindung verschiedene Experimente, indem das Zwischenverbindungsteil 50 verschieden ausgelegt wird. Der Durchgang 51, der das Zwischenverbindungsteil 50 bildet, kann entweder ein Rohr sein, wie oben beschrieben, oder er kann Durchgang sein, der in den Blöcken 6 und 7 festen Materials ausgebildet ist.
Des weiteren ist die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern verschiedene Abwandlungen und Änderungen können durchgeführt werden, ohne über den Schutzumfang der Erfindung hinaus zu gehen, der in den angehängten Ansprüchen vorgegeben ist.

Claims

1. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials, mit:

einem Basisteil (26), einer Mehrzahl von Spritzen, die auf dem Basisteil angeordnet sind, wobei jede der Mehrzahl von Spritzen eine Flüssigkeit enthält, die für die Verarbeitung verwendet wird, einer Verarbeitungskammer (4), die auf dem Basisteil angeordnet ist und in die Flüssigkeiten aus der Mehrzahl von Spritzen eingeleitet werden, um die Verarbeitung durchzuführen, Betätigungseinrichtungen (31- 33) zum Betätigen der Mehrzahl von Spritzen, um die Flüssigkeiten in den Spritzen in die Verarbeitungskammer einzuleiten, und einer Zwischenverbindungseinrichtung (50, 51, 51&sub1;, 51&sub2;) zum Verbinden der Mehrzahl von Spritzen mit der Verarbeitungskammer zum Transportieren der Flüssigkeiten in der Mehrzahl von Spritzen zu der Verarbeitungskammer,

dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spritzen abnehmbar auf dem Basisteil angeordnet ist,

die Verarbeitungskammer abnehmbar auf dem Basisteil angeordnet ist,

die Mehrzahl von Spritzen abnehmbar bezüglich der Zwischenverbindungseinrichtung vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung des weiteren eine Rückgewinnungseinheit (5) enthält, die abnehmbar auf dem Basisteil (26) angebracht ist, zum Aufnehmen eines Überflusses aus der Verarbeitungskammer (4).

3. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spritzen (1) eine erste Spritze (1P) zum Aufnehmen einer ersten Flüssigkeit (2) und eine zweite Spritze (1A) zum Aufnehmen einer zweiten Flüssigkeit (3) enthält, wobei die Zwischenverbindungseinrichtung (50) einen ersten Durchgang (51&sub2;) enthält, der mit der ersten Spritze für den Transport einer ersten Flüssigkeit verbunden ist, und einen zweiten Durchgang (51&sub1;) enthält, der mit der zweiten Spritze zum Transport einer zweiten Flüssigkeit verbunden ist, und einen dritten Durchgang (51) mit einem ersten Ende aufweist, das mit dem ersten und zweiten Durchgang verbunden ist, um die erste und zweite Flüssigkeit aufzunehmen, und mit einem zweiten Ende, das mit der Verarbeitungskammer zum Einfüllen der ersten und zweiten Flüssigkeit in die Verarbeitungskammer (4) verbunden ist.

4. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Betätigungseinrichtung (31-33) die ersten und zweiten Spritzen (1P, 1A) gleichzeitig betätigt, um die erste und zweite Flüssigkeit gleichzeitig in die Verarbeitungskammer einzuleiten.

5. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Betätigungseinrichtung die ersten und zweiten Spritzen (1P, 1A) hintereinander betätigt, um die erste und zweite Flüssigkeit (2, 3) hintereinander in die Verarbeitungskammer einzuleiten.

6. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spritzen eine erste Spritze (1A) zum Aufnehmen einer ersten Flüssigkeit (3) und einen Behälter (10) zum Aufnehmen einer zweiten Flüssigkeit (3') aufweist, wobei die Zwischenverbindungseinrichtung (50, 51, 51&sub1;) die erste Spritze mit dem Behälter und den Behälter mit der Verarbeitungskammer verbindet, der Behälter eine Rühreinrichtung (10a) zum Mischen der ersten Flüssigkeit (3) aus der ersten Spritze mit der zweiten Flüssigkeit (3') in dem Behälter enthält, und die Betätigungseinrichtung (31-33) ein Einleiten der in dem Behälter gemischten Flüssigkeit in die Verarbeitungskammer verursacht, indem die erste Flüssigkeit aus der ersten Spritze in den Behälter eingeleitet wird.

7. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungskammer (4) eine erste Kammer (4a) zum Ziehen eines Kristalls aus einer ersten Flüssigkeit (2) enthält, wobei die erste Kammer durch eine semipermeable Membrane (11) abgeschlossen ist, und eine zweite Kammer (4b) aufweist, die von der ersten Kammer durch eine semipermeable Membrane getrennt ist, welche zweite Kammer über die Zwischenverbindungseinrichtung (51) mit einer Spritze (1A) verbunden ist, um eine zweite Flüssigkeit (3) aus der Spritze aufzunehmen, wobei die zweite Flüssigkeit der zweiten Kammer zugeführt wird, um das Wachsen des Kristalls aus der ersten Flüssigkeit zu verursachen.

8. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Spritzen (1) eine erste Spritze (1P) zum Aufnehmen einer ersten Flüssigkeit (2) und eine zweite Spritze (1A) zum Aufnehmen einer zweiten Flüssigkeit (3) enthält, wobei die Verarbeitungskammer (4) einen ersten Teil (4a) enthält, der mit der ersten Spritze verbunden ist, um die erste Flüssigkeit aufzunehmen, und einen zweiten Teil (4b) enthält, der mit einer Trennung von dem ersten Teil versehen ist und mit der zweiten Spritze verbunden ist, um eine zweite Flüssigkeit aufzunehmen, wobei die Verarbeitungskammer die erste Flüssigkeit und die zweite Flüssigkeit unter räumlicher Trennung der beiden Flüssigkeiten voneinander aufnimmt, um eine Kristallisation aus der ersten Flüssigkeit zu verursachen.

9. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (4b) der Verarbeitungskammer (4) ein Flüssigkeit zurückhaltendes Element (13) zum Zurückhalten der zweiten Flüssigkeit (3) unter Trennung von der ersten Flüssigkeit (2) enthält.

10. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenverbindungseinrichtung (50) eine Blasenfalle (14) zum Auffangen von Blasen in den Flüssigkeiten enthält.

11. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials mit: einem Rahmen (15), einer Mehrzahl von Zelleneinheiten (16' 24), die abnehmbar an dem Rahmen befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Zelleinheiten enthält: wenigstens eine Spritze (1) zum Aufnehmen einer Flüssigkeit und eine Verarbeitungskammer (4), in die die Flüssigkeit aus der Spritze eingeleitet wird, um eine Materialverarbeitung darin durchzuführen, einen Spritzen-Betätigungs-Mechanismus (31-33) zum Betätigen der Spritze, um ein Einleiten der Flüssigkeit aus der Spritze (1) in die Verarbeitungskammer (4) zu bewirken, und eine Temperatur- Regulierungs-Einrichtung (34, 35, 36) zum Regulieren der Temperatur der Zelleneinheit.

12. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zelleneinheit (16, 24) des weiteren enthält: einen Spritzenblock (6), der abnehmbar an dem Rahmen (15, 24) befestigt ist, wobei die Spritze (1) an dem Spritzenblock angebracht ist, einen Zellenblock (7), der abnehmbar an dem Rahmen (15, 24) befestigt ist, wobei die Verarbeitungskammer (4) an dem Zellenblock angebracht ist, und eine Zwischenverbindungseinrichtung (50) zum Verbinden der Spritze mit der Verarbeitungskammer.

13. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungskammer (4) ein Beobachtungsfenster (19) enthält, das eine Beobachtung der Materialverarbeitung erlaubt, wobei die Mehrzahl von Zelleneinheiten in dem Rahmen (15) derart angeordnet ist, daß die Beobachtungsfenster in eine gemeinsame Richtung weisen.

14. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Zelleneinheiten (16, 24) derart angeordnet ist, daß die Beobachtungsfenster (19) im allgemeinen an derselben Ebene vorgesehen sind, und die Vorrichtung des weiteren eine Beobachtungseinheit (20) enthält, die sich entlang der Ebene bewegt, um die Materialverarbeitung durch die Verarbeitungsfenster zu beobachten.

15. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zusätzlich eine Rückgewinnungseinheit (8) enthält, die abnehmbar an dem Zelleneinheitskörper (26) angebracht ist, um einen Überfluß aus der Verarbeitungskammer (4) aufzunehmen, und eine Zwischenverbindungseinrichtung (52) aufweist, die die Verarbeitungskammer mit der Rückgewinnungseinheit verbindet.

16. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (15) in einer Umgebung angeordnet ist, zu der ein Zugang begrenzt ist.

17. Vorrichtung zum Verarbeiten eines Materials nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (15) an dem Rahmen eines Raumfahrzeuges angebracht ist.