JP2004073993A - Solution concentrating apparatus - Google Patents

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JP2004073993A
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Japanese (ja)
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Hiroyoshi Noda
野田 紘憙
Shigeyuki Yokoyama
横山 茂之
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solution concentration apparatus which can enhance the operational efficiency, enables short-time processing, even when a plurality of kinds of protein solutions are concentrated at the same time, can appropriately grasp circumstances such as a concentrated state by means of a sensor and can perform a concentration operation. <P>SOLUTION: The solution concentrating apparatus which concentrates a solution stored in a solution storing means by a centrifugal operation is provided with a liquid surface detecting means which detects the liquid surface level of the solution stored in the solution storing means, a solution supply amount control means which controls the amount of the solution to be supplied to the solution storing means and a solution supplying means which supplies the solution of the amount determined by the solution supply amount controlling means to the solution storing means. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、遠心分離操作を用いる溶液濃縮装置に関する。特に本発明は、遠心されるチューブ内の液面を測定し、適量の溶液を自動的に補充することにより、連続して作業できるタンパク質濃縮装置、およびそれを用いたタンパク質の3次元構造解析法などに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ヒトを含む多くの生物種のDNA塩基配列の解読が急速に進んでいる。そして、大量のゲノム配列情報から抽出される膨大な数の遺伝子について、個々の遺伝子にコードされるタンパク質の立体構造を明らかにし、機能との関係を解明することが重要な課題となってきている。
【0003】
この「構造ゲノム科学」において、構造解析の対象となるタンパク質はヒトの遺伝子で約10万種類ほどと極めて多い。タンパク質の立体構造は、千種類から数千種類の基本構造単位の組み合わせから形成されており、その組み合わせによって機能の多様性が実現されていると考えられる。そこで、これら基本構造単位を全て解明することにより、タンパク質の構造と機能の関係を明らかにすることを目標とした研究が進められている。
このような体系的・網羅的な構造解析においては、解析の全過程の高速化・自動化を図ることが急務となっている。
【0004】
一方、タンパク質は、変性、分解、吸着などにより失活、損失する。従って、目的とするタンパク質試料を調製する際には、これらの損失を避け、できるだけ短時間に効率良く一連の操作を行うことが特に望まれる。
特に、タンパク質の構造解析において核磁気共鳴(NMR)スペクトルを用いる場合、目的とするタンパク質溶液は精製後、濃縮して測定試料とされるが、この濃縮工程の作業性の向上が要求される。
【0005】
NMR測定用試料タンパク質を調製する際の濃縮手段としては、所定の分画分子量を有するろ膜(フィルタ)が装着された遠心チューブにタンパク質溶液を入れ、モータを回転し遠心分離を行う遠心分離限外ろ過方法が一般的である。
【0006】
従来、この遠心分離限外ろ過方式においては、以下のようにしてタンパク質の濃縮液を得ていた。すなわち、まず緩衝液とともにタンパク質溶液を注入したチューブを遠心分離機内に挿入する。一定時間遠心を行う。チューブを取り出し、目視によりチューブ内の状況(フィルタが抜けていないかどうか、あるいはフィルタが目詰まりを起していないかなど)を確認する。そして、濃縮により減少したタンパク質溶液分を手作業により補充する。チューブを遠心分離機内に戻す。遠心を行う。以上の作業を濃縮液の量が測定所要濃度および量になるまで繰り返し行う。
【0007】
この従来の方法では、濃縮液の量が測定所要量になるまでにチューブを止め、目視による確認を何度も行わなければならず、目的の濃縮液が得られるまでに時間がかかるという問題があった。例えば、通常のタンパク質溶液の濃縮作業では、8時間程度の時間が必要であり、多大な労力を必要とするという問題があった。
特に、複数種類のタンパク質溶液を同じ遠心分離機で濃縮する場合、それぞれの溶液におけるろ過速度の違いにより、各チューブ内のタンパク質液面の低下状況が異なるので、更なる目視確認を必要とするという問題があった。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このようなタンパク質などの濃縮工程において、作業効率が向上し、短時間処理を可能とする新規な溶液濃縮装置を提供することを目的とする。
本発明は、良好な状態のタンパク質などの濃縮液を得ることを別の目的とする。
本発明は、複数種類のタンパク質溶液を同時に濃縮する場合であっても、濃縮状態などをセンサなどにより適切に状況を把握して濃縮作業を行うことができる溶液濃縮装置を提供することを別の目的とする。
本発明は、本発明の溶液濃縮装置を用いてタンパク質溶液の濃縮を迅速かつ的確に行い、得られたタンパク質の濃縮液を用いてNMR解析や結晶化後のX線解析などを行い、タンパク質の立体構造や機能解析などを行うことを別の目的とする。
本発明は、上記解析に基づいて創薬を行うことを別の目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題の少なくとも一つ以上を解決するものである。本発明は、従来手作業で行っていた工程を自動化することにより、構造解析のハイスループット化を図る上で有効な新規溶液濃縮装置を提供する。なお、溶液濃縮装置は、通常、試料を収容したチューブを装填したローターなどを高速に回転させ、回転により発生する遠心力により試料を濃縮・分離する装置である。
【0010】
より詳細には、本発明は、「溶液収容手段に収容する溶液を遠心操作によって濃縮する溶液濃縮装置であって、前記溶液収容手段に収容される溶液の液面レベルを検出する液面検出手段と、前記液面検出手段により検出される液面レベル情報に基づいて、溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御する溶液供給量制御手段と、前記溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を前記溶液収容手段に供給する溶液供給手段と、を具備する溶液濃縮装置」などに関する。この溶液濃縮装置は、溶液収容手段を遠心しつつ、溶液収容手段に収容される液面レベルを液面検出手段により検出し、前記液面検出手段により検出された液面レベル情報に基づいて溶液供給量制御手段が溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御し、溶液供給手段が前記溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を溶液収容手段に供給することにより連続的かつ効率的に溶液の濃縮を行うことができる。
【0011】
この新規な溶液濃縮装置により、溶液濃縮装置(遠心分離機)の回転を止めることなく、濃縮により減少した分のタンパク質溶液を自動的に補給することができる。したがって、このような装置によれば、溶液濃縮の作業性が飛躍的に向上するとともに、試料調製に要する時間を著しく短縮できることとなる。以下、本発明をその実施の態様に基づいて具体的に説明する。
【0012】
【発明の実施の態様】
図1は、本発明の溶液濃縮装置の一例の概略を示す一部断面図である。図1(a)に示すように本発明の溶液濃縮装置は、複数の溶液収容手段(1)と、溶液収容手段を保持するローター(2)と、そのローターを回転させる駆動モータ(3)と、前記溶液収容手段に収容された溶液の液面レベルを検出する液面検出手段(5)と、前記液面検出手段により検出された液面レベル情報に基づいて、溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御する溶液供給量制御手段(7)と、前記溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を溶液収容手段に供給する溶液供給手段(9)とを具備する。なお、図1(b)は、本発明の溶液濃縮装置の一例を上面から見た概図である。
【0013】
(溶液収容手段)
溶液収容手段としては、溶液を収容することができるものであれば特に限定されるものではない。溶液収容手段としては、チューブなどが挙げられ、好ましくは、チューブ内の表面に溶質が吸着しにくい材質(例えば、ポリカーボネート製など)のチューブが挙げられる。チューブなどの溶液収容手段の本数は、特に限定されるものではないが、1〜100本が挙げられる。最適な本数は、濃縮すべき溶液の種類の数と量、及び作業効率などから決定する。なお回転バランスを保つ必要があるため、チューブの本数が多い方が好ましく、例えば、32本、24本、12本、8本、4本など4の倍数本や8の倍数本が挙げられる。そして、複数の溶液収容手段は、駆動モータの駆動軸(10)を基準として対称に配置されることが好ましい。
【0014】
図2を用いて本発明の好ましい溶液収容手段(1)の例を説明する。この溶液収容手段は、本発明の溶液濃縮装置により溶液を濃縮した際のろ液を回収するろ液収容部(11)と、胴体部(13)と、胴体部と接続可能なキャップ部(17)とを具備する。胴体部は、所定の分画分子量を有するろ膜(15)を内包し、ろ液収容部とキャップ部とが密封的に接続できるよう構成されている。このような構成の溶液収容手段から濃縮液を回収するには、胴体部の底部にたまる濃縮液をピペット等により回収しても良い。なお、図2(b)に示されるように濃縮液回収部(19)を、ろ液収容部(11)と倒立させた胴体部(13)とで挟んで倒立遠心することにより濃縮液を濃縮液回収部中に回収することができる。不純物が混入することを避けるために、ろ液や濃縮液は、図2(c)に示されるように、キャップ(21)を用いて密封することが好ましい。
【0015】
ろ膜(15)としては、対象溶液に応じて濃縮や遠心分離ろ過などに用いられる公知のろ膜が適宜選択され、公知の方法に従って設置される。ろ膜としては、目的の溶液(例えば、タンパク質溶液)にふさわしいろ膜を選ぶことができ、具体的にはポリエーテルスルホン膜や、トリアセチルセルロース膜、再生セルロース膜などが挙げられる。ポリエーテルスルホン膜は、親水性、疎水性のいずれの相互作用も示さない。そして、ポリエーテルスルホン膜は、ファウリングも少なく、高流量を採用できる、広範囲のpHに利用できるなどの特性がある。また、トリアセチルセルロース膜は、高い親水性を持ち、耐薬品性が高く、非特異的吸着が少ないという特徴がある。再生セルロース膜は、親水性が高く、オートクレープにより滅菌することができ、容易に洗浄できるという特徴がある。
【0016】
(溶液)
本発明の溶液濃縮装置により処理し得る溶液としては、タンパク質、酵素、ホルモン、核酸、抗体、免疫グロブリン、生体分子、細胞、抗生物質などを含有する溶液またはけん濁液が挙げられ、特にタンパク質の精製液と緩衝液の混合液が挙げられる。溶液としては、特に複数のタンパク質が混合されているものであってもよい。複数のタンパク質溶液を同時に濃縮する場合、それぞれのろ過速度が異なるため従来の目視によっては、濃縮量を把握するために回転を止めなければならならなかったが、本発明によれば、液面を直接センサで検出することにより正確かつ迅速に判断することができる。
【0017】
(気体加圧手段)
本発明の溶液濃縮装置は、溶液収容手段が気体加圧遠心される気体加圧手段をさらに有するものが好ましい。気体加圧遠心とは、気体によって加圧しながら遠心する方法を意味する。例えば、ビバサイエンス社のビバスピン20とビバセル70を組み合わせて用いることで気体加圧遠心を実現できる。気体加圧遠心によれば、遠心のみの操作に比べてろ過(濃縮)速度が、30%〜50%程度早くなる。
【0018】
(駆動手段)
溶液収容手段を駆動する駆動手段としては、駆動モータが挙げられる。駆動モータとしては、スイングローターやアングルローターなど公知の駆動モータを利用することができる。スイングローターとしては、特開平9−155235号公報に記載されているものなどが挙げられる。
【0019】
(液面検出手段)
液面検出手段としては、CCDセンサなどが挙げられるが、チューブ内の液面の画像情報や、光透過、光吸収、光散乱等の状態変化を検出できるものであれば特に限定されるものではない。CCDセンサとしては、カラーCCDセンサが好ましく、情報量がより多い2次元カラーCCDセンサであればさらに好ましい。このような液面検出手段によれば、溶液収容手段が回転している最中であっても液面を正確かつ迅速に観測できる。
【0020】
液面検出手段としては、CCDセンサなどのために光源がさらに設けられていても良い。光源から出た光を溶液収容手段に照射し、その反射率の変化などで液面レベルを画像情報などとして検出することが好ましい。したがって、好ましくは、少なくとも適切な画像情報を得るためにカラーCCDカメラレンズの位置と焦点は、チューブ内の液面の高さが満水レベルからろ膜以下の少量レベルまで観測できるように調整する。光源としては、液面検出手段にふさわしい光源であれば特に限定されるものではない。光源としては、例えばCCDカメラと一体となっているものであってもよいし、CCDカメラの近傍に設けられているものや、チューブを挟んでCCDカメラと対抗する位置に設けられてもよい。チューブが斜めに設置されている場合、その液面に直接、光が照射されるような角度に光源が設置されているものでもよい。なお光源と溶液収容手段の間には光をさえぎる障害物がなく、光の導入路と、導出路を明確にするものが好ましい。
液面検出手段としては、溶液収容手段の回転周期に同期したタイミングで溶液の液面レベルの検出を行うものが好ましい。この場合回転周期に同期とは、溶液収容手段の回転周期と、検出(撮影)のタイミング周期とが完全に同一の場合の他、溶液収容手段の回転周期が、検出(撮影)のタイミング(周期)整数倍である場合をも意味する。このような整数としては、例えば装置に含まれる溶液収容手段本数の数が挙げられる。このような液面検出手段は、好ましくは特定の位置に固定される。
【0021】
(溶液供給量制御手段)
溶液供給量制御手段(例えば、PC)は、予め溶液供給量に関する情報を記憶する溶液量記憶手段と、液面検出手段からの液面レベル(チューブ内の液面の高さ)に関する情報を得て、溶液収容手段(例えば、チューブ)に収容されている溶液の量を算出する溶液収容手段内の溶液量算出手段と、溶液量算出手段により算出された溶液収容手段内の溶液量と、溶液記憶手段に記憶された溶液量とを比較する比較手段と、比較手段により比較された溶液の量に応じて、溶液供給手段により溶液収容手段に供給される溶液の量を算出する溶液供給量算出手段と、溶液供給量算出手段により算出された溶液供給手段により溶液収容手段に供給される溶液の量を溶液供給手段に伝える溶液供給量情報伝達手段とを具備してもよい。
溶液供給量制御手段は、公知のパーソナルコンピュータやサーバを用いて構築することができる。
【0022】
複数種類の溶液を遠心する場合、一定時間の遠心を行うとそれぞれの溶液収容手段によって、ろ過速度が異なるために溶液量に相違が生じ、全ての溶液収容手段が所定の溶液量になるのに同じタイミングではなくなる。ろ過速度が異なる原因としてはタンパク質の会合による不溶化や、タンパク質溶液そのものの性質が挙げられる。
そのため本発明では、好ましくは、以下のようにしてタンパク質を濃縮する。まず一定時間の濃縮の後に濃縮不可能な溶液と濃縮可能な溶液とに分ける。濃縮不可能な溶液は、一定時間に一定溶液量の減少が見られなかった溶液が該当する。次に濃縮可能な溶液の中から最も濃縮速度の遅いものを選び、その溶液が所定の溶液量に濃縮されるために必要な時間を計算する。この必要な時間から全ての溶液について同じ時間で所定の溶液量になるように、溶液注入量を計算する。ここで得られた溶液量をそれぞれの溶液収容手段に注入する。このようにすることにより、同じタイミングで全ての溶液について所定の溶液量を得ることができる。
このように複数の溶液収容手段に収容されている溶液の量を同時に制御することが好ましく、それぞれの溶液収容手段に適切な量の溶液を補充できるように溶液供給手段への制御信号を同期することが好ましい。
【0023】
図3に従って、本発明における溶液収容手段の液面調整機構の例を説明する。図3中、Aは、チューブ(溶液収容手段)のタンパク質溶液満水時の液面量である。Xは、濃縮途中の溶液の液面の液面レベルである。Fは、希望する濃縮後のタンパク質の濃縮液の液面レベルである。光源(31)により照射された液面の高さを、CCDカメラなどの液面検出手段(32)が液面レベル情報を検出する。検出された液面レベルに関する情報は、制御手段のうち溶液供給量計算手段(33)に伝達され、制御手段の溶液供給量算出部(33a)は、その液面レベルXと希望する液面レベルFと比較する。もしも、XとFとが一致していれば濃縮作業を終了させる制御信号を溶液供給手段(34)や、モータ制御機構などに伝達する。XとFとが一致していなければ、溶液供給手段(34)に供給すべき適切な溶液の量(例えば、A−X、又はA−Fの量)に関する情報を伝達する。溶液供給手段(34)は、タンパク質液リザーバ(34a)と、液補充注入自動分注器(34b)とを備え、溶液供給手段からの情報に基づき溶液収容手段に適切な量の溶液を補給する。濃縮作業は、XとFとが一致するまで繰り返し行われる。
【0024】
(溶液供給手段)
溶液供給手段は、溶液を収容しており、溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を溶液収容手段に供給する。溶液供給手段は、例えば溶液収容手段の回転周期に同期して回転可能とされており、溶液収容手段(チューブ)へ溶液の供給ができるように連結されている。なお、前記溶液収容手段と、前記溶液供給路、及び前記溶液供給手段が一体となって回転するものが好ましい。溶液収容手段と溶液供給手段とを連結する溶液供給路としては、公知の溶液供給路を用いることができる。溶液収容手段が回転駆動している際にも溶液供給手段に溶液を供給することができるものが挙げられる。例えば、溶液収容手段とともに溶液供給路、及び溶液供給手段が回転するものが挙げられる。なお、好ましくは、溶液供給手段と溶液収容手段が連結されて一緒に回転するものが挙げられる。また好ましい別の例としては、溶液収容手段の回転周期に同期して溶液供給手段も回転するものが挙げられる。このような構成をとることで、溶液収容手段と溶液供給手段の特定位置に関する相対速度を一定に保つことができ、溶液収容手段が回転駆動している際にも溶液供給手段に溶液を供給することができるのである。
または、前記溶液供給手段は、それぞれの溶液収容手段とは連結されておらず、それぞれの溶液収容手段の回転と同期し、溶液を放出すれば、特定の溶液収容手段に溶液が収容されるように、溶液を供給するものであっても良い。
この場合、溶液収容手段の回転により、供給されるべき溶液が振り切られることを防ぐために、壁を設ける、又は溶液収容手段の口のきわまで溶液供給手段から管を伸ばすなどを行ってもよい。
また、溶液供給手段は、溶液供給量制御手段(PC)と電気的に連結されていることが好ましい。溶液供給手段に収容されている溶液は、振動などの影響を受けないことが好ましい。したがって、溶液供給手段を構成し、溶液収容手段に供給する溶液の成分(タンパク質など)を収容するリザーバなどは、例えば複数の溶液収容手段の中心軸と同軸上、又はローターの同心軸上に設置されていることが好ましい。なお、振動などによって影響を受けるおそれの小さな溶液の成分(緩衝液など)については、ローターの周辺に設置してもよい。
【0025】
(コントラスト部材)
本発明の濃縮装置としては、溶液収容手段(チューブ)の液面検出手段(CCD)とは反対の側にコントラスト部が設けられていることが好ましい。すなわち、コントラスト部材と、液面検出手段の間に溶液収容手段が位置するような配置をとるものが好ましい。コントラスト部材は、タンパク質など対象物の色と補色関係にある面を有するものが好ましく、例えば黒色の面を有し、前記液面検出手段(CCD)が溶液収容手段(チューブ)に収容される溶液の液面レベルをより明確に検出することができるためのものが挙げられる。なお、チューブを収容するローターの穴部分を黒などに着色したものをコントラスト部材としても良いし、ついたてを設けてコントラスト部材としてもよい。
【0026】
(異常振動検出装置)
なお、本発明の溶液濃縮装置は、異常振動検出装置により異常振動を防止することができるものが好ましい。異常振動検出装置としては、例えば特開平5−104031号公報に記載のものを用いることができる。すなわち、回転バランスが保持されない場合等の異常振動を検出する手段として、遠心分離機の回転体を判別する機構により、ローターを判別し、また、危険速度通過後に、駆動シャフト部あるいはモータ部やローター等の振動を計測し、あらかじめ入力されている各ローターの許容振動値と、計測された振動値を比較し、当該ローターの許容値を超過している場合にローターを停止させる機能を有する遠心分離機の異常振動検出装置を用いることが好ましい。この異常振動検出装置によれば、ローターが回転を始めるとローター底部に取付けられたアダプタによりローターを判別し、そして、回転センサにより危険速度を通過した事を判別後、距離計により振れ量を計測し、あらかじめ測定・入力されているロータに対する許容振れ量と比較する。比較の結果、あらかじめ入力されている当該ローターの許容値を超えている場合には、ローターを減速させる。このようにして異常振動を防止することができる。
【0027】
(溶液濃縮方法)
以下、本発明の溶液濃縮装置を用いた溶液濃縮方法の例を図4を用いて説明する。なお、図4中「S」は、ステップを意味する。
【0028】
まず、チューブ(溶液収容手段)を本発明の溶液濃縮装置(遠心分離機)に装填する(S101)。複数本のチューブを用いる際は、対角線上にバランスをとりながら設置することが好ましい。より具体的には、図5に示すのように4本のチューブを用いる場合は、図5の1、2、3、4の順に対角線を書くような順で設置していくことが好ましい。また、対象溶液を入れた本数が、チューブの設置数より少ない場合であっても、ダミーの溶液をチューブに入れ、バランスをとることが好ましい。例えば、4本のチューブを同時に遠心する装置の場合において、3本分のチューブしか必要でない場合であっても、残りの1本についてもその溶液と同様の重量を有する液体を充填し、4本同時に遠心することが好ましい。このようにすることで、回転バランスを維持することができ、異常振動が発生する事態を防止することができる。
【0029】
次に、溶液(精製したタンパク質及び緩衝液)をチューブに充填する(S103)この際、望ましい量が本発明の液面検出手段と、溶液供給量制御手段と、溶液供給手段とにより自動的に供給されることが好ましい。
【0030】
濃縮装置の回転速度を入力する。すると、本発明の溶液供給量制御手段は、回転速度に関する入力情報を待つ(S105)。なお、この入力情報は、溶液供給量制御手段の記憶手段により記憶されることが好ましい。また、予め回転速度に関する入力手段が記憶されていることも好ましい。
【0031】
溶液供給量制御手段に記憶された回転速度に関する情報を駆動モータが受け、チューブを保持するローターを回転させる(S107)。回転速度としては、例えば、1000rpm〜10000rpm、より具体的には3000rpmが挙げられるが、これに限定されるものではない。この回転時間は特に限定されるものではなく、例えば、10〜30分が挙げられる。
【0032】
ローターの回転を一度止め、又はローターの回転を遅くして、又はローターが回転している際に、液面検出手段がチューブ内の液面レベルを検出する(S109)。なお、この際、フィルタが目詰まりを起している、フィルタがずれているなどの異常がある場合をも液面検出手段により検出できるようになっていることが好ましい。異常があれば、チューブを交換するか、フィルタなどを調整し、再度回転を行う(S101へ戻る)。
【0033】
ローターを再び回転させる(S111)。この際の回転速度としては、例えば、1000rpm〜10000rpm、より具体的には所定の遠心加速度を得るために5000rpmが挙げられるが、これに限定されるものではない。この回転時間は特に限定されるものではなく、例えば、10分〜30分が挙げられる。
【0034】
ローターの回転を一度止め、又はローターの回転を遅くして、又はローターが回転している際に、液面検出手段がチューブ内の液面レベルを検出する(S113)。なお、この際、フィルタが目詰まりを起している、フィルタがずれているなどの異常がある場合をも液面検出手段により検出できるようになっていることが好ましい。異常があれば、チューブを交換するかフィルタなどを調整し、再度回転を行う(S101へ戻る)。
【0035】
液面検出手段により検出された各チューブの液面レベルに関する情報は、溶液量制御手段に伝達され、溶液量制御手段は、チューブに供給すべき適切な溶液の量についての情報を、溶液供給手段に伝達する(S115)。
【0036】
溶液供給手段は、溶液量制御手段から伝達された、チューブに供給すべき適切な溶液の量についての情報に基づいて、それぞれのチューブの液面レベルに応じ、または液面レベルの平均値をとり、各チューブに適切な量の溶液を各チューブに供給する(S117)。
【0037】
希望量の濃縮溶液が得られるまで、ステップ111〜ステップ117を繰り返す。
【0038】
希望量の濃縮溶液が得られたら、ローターの回転数を低減する。この際の回転数は、例えば100rpm〜3000rpmが挙げられ、具体的には1000rpmが挙げられる(S119)
【0039】
さらに液面レベルを点検し、希望量が集められていることを確認しても良い(S121)。なお、NMR解析のためのタンパク質の濃縮液としては、300マイクロリットル程度製造することが好ましい。
【0040】
チューブの回転を停止する(S123)。その後、チューブを取り出す(S125)。チューブを取り出す作業は人力によって行っても良いし、機械により自動的に行われるようにしても良い。
【0041】
取り出したチューブは、好ましくは、カラムに立て静置される(S127)。このようにして濃縮溶液を得ることができる。なお、本発明は特にタンパク質の濃縮方法として有用である。
【0042】
上記ステップを経て、タンパク質の濃縮溶液を得た場合、その溶液は、NMRやX線解析に好適に用いることができ、タンパク質やドメインの立体構造解析、タンパク質の機能解析に大いに活用される。
【0043】
(核磁気共鳴法)
NMR技術は、検査する物質(通常は適当な溶媒中にある)を強力な磁場に置き、無線周波数(rf)により励磁されるまで磁場と整列する。これらは共鳴エネルギーを吸収し、i)核の種類と、ii)原子環境とによって定まる周波数で再放射する。さらに、共鳴エネルギーは一つの核から他の核へ、結合又は三次元空間を通って移り、特定の核とその近くの核の環境についての情報を与える。
NMR装置としては、例えば、ブルカー社より購入可能なDRX−600、バリアン社より購入可能なINOVA600、JEOL社より購入可能なα−600等がある。
【0044】
NMRは以下のようにして測定することができる。先ず、NMR試料管に冷却したパスツールピペット等を使用して混合溶液を注ぐ。この際、本発明の溶液濃縮装置により濃縮されたタンパク質の濃縮液を用いる。本発明によれば、短時間、かつ適切な濃縮液を得ることができるため、NMRを含めた操作を適切かつ迅速に行うことができる。さらには、NMRの解析データに基づいたタンパク質やドメインの立体構造解析や機能解析を迅速に行うことができる。
【0045】
パスツールピペットは長さ20cm以上が好ましく、例えば東和科学社より購入可能である。あらかじめ目的温度(17℃ないし57℃)に達したNMR静磁場に、前記NMR試料管を挿入する。磁場の大きさは、好ましくは90MHz−1000MHz、より好ましくは600MHz−900MHzである。磁場配向の度合いは、磁場強度の2乗に比例するため、より高磁場な条件ほど望ましい。例えば、2次元NMRとしては2D、DOQ−COSY、TOCSY、NOESY、HSQC等、多次元NMRとしては、HNCO、HCACO、HNCA、HCA(CO)N、HN(CO)CA、HNHB、CBCANH、H(CA)NH、HBHA(CO)NH、HCCH−COSY、HCANH、HCCH−TOCSY、HCACON、15N−NOESY−HSQC、13C−NOESY−HSQC等が知られている。
【0046】
(X線解析法)
X線結晶解析では、X線ビームを検査する物質の結晶(又は線維)に当て、結晶内で整列する分子の原子により屈折させる。散乱したX線を感光板で捉え、それを標準的技術を用いて現像する。回折したX線は感光板上に一連のスポットとして視覚化でき、このパターンから結晶内の分子構造が決定できる。X線結晶解析では、純粋かつ大きな結晶を得ることが望まれる。本発明の溶液濃縮装置により濃縮されたタンパク質の濃縮液を用いることにより、純度の高いタンパク質の結晶を得ることができるため、精度が高いX線結晶解析のパターンを得ることができる。また、本発明によれば、短時間で濃縮液を得られるため、X線結晶解析を含めた操作を適切かつ迅速に行うことができる。さらには、X線結晶解析データに基づいたタンパク質の立体構造の解析やタンパク質の機能解析を迅速に行うことができる。
【0047】
(タンパク質の3次元構造の解析法)
1980年代後半には、NMRによるタンパク質の立体構造解析が急速に進展した(K.Wuthrich著、京極好正、小林祐次訳「タンパク質と核酸のNMR−二次元NMRによる構造解析」、東京化学同人(1991))。特に、超高磁場磁石(現在は、プロトンの共鳴周波数で800MHz)の利用や、窒素原子や炭素分子の安定同位体である15Nや13Cを用いた新しい異種核多次元NMR法等が開発された。さらにNMRにより得られた生体分子の構造情報より、当該生体分子の立体構造解析・機能解析を行うことが可能である。NMRデータから構造解析を行うための多くのプログラムが周知であり、例えば化学シフト帰属のためのものとして、NMR Pipe、PIPP、Capp、Felix、NMR View、XEASY,立体構造計算ソフトとしてX−PLOR、CNS、DYANA,DYNAMO等が用いられている。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、タンパク質などの濃縮工程において、作業効率が向上し、短時間処理を可能とする新規な溶液濃縮装置を提供できる。
本発明によれば、良好な状態のタンパク質などの濃縮液を得ることができる溶液濃縮装置を提供できる。
本発明によれば、複数種類のタンパク質溶液を同時に濃縮する場合であっても、効率よく濃縮作業を行うことができる溶液濃縮装置を提供することができる。本発明によれば、本発明の溶液濃縮装置を用いてタンパク質の濃縮を迅速かつ的確に行い、得られたタンパク質の濃縮液を用いてNMRや結晶化後のX線解析などを行い、タンパク質やドメインの立体構造や機能解析などを行うことができる。
本発明によれば、上記解析に基づいて創薬を行うことができる。このため、本発明の溶液濃縮装置は、創薬などに特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1(a)は、本発明の溶液濃縮装置の一例を示す概略構造図である。図1(b)は、その装置の上面図である。
【図2】図2は、本発明の液面レベルを調整する機構の概略図である。
【図3】図3は、本発明の溶液収容手段の例を表す概略図である。
【図4】図4は、本発明の溶液濃縮装置を用いて溶液を濃縮するプロトコルを示す図である。
【図5】図5は、溶液収容手段や、溶液供給装置などの配置の例を示す図である。
【符号の説明】
1 溶液収容手段
2 ローター
3 駆動モータ
5 液面検出手段
7 溶液供給量制御手段
9 溶液供給装置
11 ろ液収容部
13 胴体部
15 ろ膜
17 キャップ部
18 穴
19 濃縮液回収部
31 光源
32 液面検出手段
33 溶液供給量計算手段
33a 溶液供給量算出部
34 溶液供給手段
34a タンパク質液サーバ
34b 液補充注入自動分注器
[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to a solution concentration device using a centrifugal separation operation. In particular, the present invention relates to a protein concentrator that can continuously work by measuring the liquid level in a tube to be centrifuged and automatically replenishing an appropriate amount of a solution, and a method for analyzing the three-dimensional structure of a protein using the same. And so on.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the decoding of DNA nucleotide sequences of many species including humans has been rapidly progressing. For a huge number of genes extracted from a large amount of genome sequence information, it has become an important issue to clarify the three-dimensional structure of the protein encoded by each gene and elucidate the relationship with the function. .
[0003]
In this "structural genomics", the number of proteins targeted for structural analysis is as large as about 100,000 human genes. The three-dimensional structure of a protein is formed from a combination of 1,000 to several thousand types of basic structural units, and it is considered that the diversity of functions is realized by the combination. Therefore, studies are being conducted with the aim of elucidating all of these basic structural units to clarify the relationship between protein structure and function.
In such a systematic and comprehensive structural analysis, it is urgently necessary to speed up and automate the entire analysis process.
[0004]
On the other hand, proteins are inactivated or lost due to denaturation, decomposition, adsorption and the like. Therefore, when preparing a target protein sample, it is particularly desirable to avoid these losses and perform a series of operations efficiently in a short time as possible.
In particular, when a nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum is used in protein structural analysis, a target protein solution is purified and then concentrated to obtain a measurement sample, and improvement in workability in this concentration step is required.
[0005]
As a means for concentration when preparing a sample protein for NMR measurement, a protein solution is put into a centrifuge tube equipped with a filter having a predetermined molecular weight cut-off, and a motor is rotated to perform centrifugation. An external filtration method is common.
[0006]
Conventionally, in this centrifugal ultrafiltration method, a concentrated solution of protein has been obtained as follows. That is, first, the tube into which the protein solution is injected together with the buffer is inserted into the centrifuge. Centrifuge for a certain time. Remove the tube and visually check the condition inside the tube (whether the filter has come off or the filter is not clogged, etc.). Then, the protein solution reduced by the concentration is manually replenished. Return tube to centrifuge. Centrifuge. The above operation is repeated until the amount of the concentrate reaches the concentration and amount required for measurement.
[0007]
In this conventional method, it is necessary to stop the tube until the amount of the concentrate reaches the required amount for measurement, and to perform visual confirmation many times, and it takes a long time to obtain the target concentrate. there were. For example, a normal protein solution concentration operation requires a time of about 8 hours, and has a problem that a great deal of labor is required.
In particular, when multiple types of protein solutions are concentrated by the same centrifuge, the difference in the filtration speed of each solution causes a different level of protein level in each tube, which requires further visual confirmation. There was a problem.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a novel solution concentrating device that improves the working efficiency in such a step of concentrating proteins and the like and enables short-time processing.
Another object of the present invention is to obtain a concentrated solution such as a protein in a good state.
Another object of the present invention is to provide a solution concentrating device that can perform a concentration operation by appropriately grasping the state by a sensor or the like, even when a plurality of types of protein solutions are simultaneously concentrated. Aim.
The present invention provides a rapid and accurate concentration of a protein solution using the solution concentrating device of the present invention, and performs an NMR analysis, an X-ray analysis after crystallization, and the like using the obtained protein concentrate to obtain a protein protein. Another purpose is to perform three-dimensional structure and function analysis.
Another object of the present invention is to carry out drug discovery based on the above analysis.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention solves at least one of the above-mentioned problems. The present invention provides a novel solution concentrating device that is effective in achieving high-throughput structural analysis by automating steps conventionally performed manually. Note that the solution concentrating device is a device that normally rotates a rotor or the like loaded with a tube containing a sample at high speed, and concentrates and separates the sample by centrifugal force generated by the rotation.
[0010]
More specifically, the present invention relates to a solution concentration apparatus for concentrating a solution contained in a solution containing means by a centrifugal operation, and a liquid level detecting means for detecting a liquid level of the solution contained in the solution containing means. Solution supply amount control means for controlling the amount of the solution to be supplied to the solution storage means based on the liquid level information detected by the liquid level detection means, and the amount obtained by the solution supply amount control means And a solution supply means for supplying the solution to the solution storage means. This solution concentrating device detects the liquid level contained in the solution containing means by the liquid level detecting means while centrifuging the solution containing means, and detects the solution level based on the liquid level information detected by the liquid level detecting means. The supply amount control means controls the amount of the solution to be supplied to the solution storage means, and the solution supply means supplies the amount of the solution determined by the solution supply amount control means to the solution storage means, thereby continuously and efficiently supplying the solution. Can be concentrated.
[0011]
With this novel solution concentrator, the protein solution reduced by concentration can be automatically replenished without stopping the rotation of the solution concentrator (centrifuge). Therefore, according to such an apparatus, the workability of the solution concentration is dramatically improved, and the time required for sample preparation can be significantly reduced. Hereinafter, the present invention will be described specifically based on its embodiments.
[0012]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
FIG. 1 is a partial sectional view schematically showing an example of the solution concentrating device of the present invention. As shown in FIG. 1 (a), the solution concentrating device of the present invention comprises a plurality of solution containing means (1), a rotor (2) for holding the solution containing means, and a drive motor (3) for rotating the rotor. A liquid level detecting means for detecting a liquid level of the solution stored in the solution storing means, and a liquid level to be supplied to the solution storing means based on the liquid level information detected by the liquid level detecting means. The apparatus includes a solution supply amount control means (7) for controlling the amount of the solution, and a solution supply means (9) for supplying the amount of the solution determined by the solution supply amount control means to the solution storage means. FIG. 1B is a schematic view of an example of the solution concentrating device of the present invention as viewed from above.
[0013]
(Solution storage means)
The solution storage means is not particularly limited as long as it can store a solution. As the solution accommodating means, a tube or the like can be mentioned, and preferably, a tube of a material (for example, made of polycarbonate or the like) to which a solute is not easily adsorbed on the surface inside the tube can be mentioned. The number of the solution storage means such as a tube is not particularly limited, but may be 1 to 100. The optimal number is determined from the number and amount of the types of the solution to be concentrated, the working efficiency, and the like. Since it is necessary to maintain a rotational balance, it is preferable that the number of tubes is large, and examples thereof include multiples of 4 and multiples of 8, such as 32, 24, 12, 8, and 4. Preferably, the plurality of solution storage units are symmetrically arranged with respect to the drive shaft (10) of the drive motor.
[0014]
An example of the preferred solution storage means (1) of the present invention will be described with reference to FIG. The solution accommodating means includes a filtrate accommodating section (11) for collecting a filtrate when the solution is concentrated by the solution concentrating device of the present invention, a body (13), and a cap (17) connectable to the body. ). The body includes a filter membrane (15) having a predetermined molecular weight cutoff, and is configured such that the filtrate container and the cap can be hermetically connected. In order to collect the concentrated liquid from the solution storage means having such a configuration, the concentrated liquid accumulated at the bottom of the body may be collected with a pipette or the like. As shown in FIG. 2 (b), the concentrated liquid is concentrated by inverting and centrifuging the concentrated liquid collecting section (19) between the filtrate storage section (11) and the inverted body (13). It can be collected in the liquid collecting section. In order to avoid contamination with impurities, the filtrate and the concentrated solution are preferably sealed with a cap (21) as shown in FIG. 2 (c).
[0015]
As the filtration membrane (15), a known filtration membrane used for concentration, centrifugal filtration, or the like is appropriately selected according to the target solution, and is installed according to a known method. As the filtration membrane, a filtration membrane suitable for a target solution (for example, a protein solution) can be selected, and specific examples include a polyethersulfone membrane, a triacetyl cellulose membrane, and a regenerated cellulose membrane. The polyethersulfone membrane does not exhibit either hydrophilic or hydrophobic interactions. The polyethersulfone membrane has characteristics such as low fouling, a high flow rate, and a wide range of pH. In addition, the triacetyl cellulose membrane is characterized by having high hydrophilicity, high chemical resistance, and low nonspecific adsorption. The regenerated cellulose membrane has a feature that it is highly hydrophilic, can be sterilized by autoclave, and can be easily washed.
[0016]
(solution)
Examples of the solution that can be treated by the solution concentrating device of the present invention include a solution or suspension containing proteins, enzymes, hormones, nucleic acids, antibodies, immunoglobulins, biomolecules, cells, antibiotics, and the like. A mixed solution of a purified solution and a buffer may be used. The solution may be a mixture of a plurality of proteins. In the case of simultaneously concentrating a plurality of protein solutions, since filtration speeds of the respective solutions are different, rotation had to be stopped to grasp the amount of concentration by conventional visual inspection. Accurate and quick judgment can be made by directly detecting with the sensor.
[0017]
(Gas pressurization means)
It is preferable that the solution concentrating device of the present invention further has a gas pressurizing unit in which the solution containing unit is pressurized and centrifuged by gas. The gas pressure centrifugation means a method of centrifuging while pressurizing with gas. For example, gas-pressure centrifugation can be realized by using a combination of Vivaspin 20 and Vivasell 70 manufactured by Viva Science. According to the gas pressure centrifugation, the filtration (concentration) speed is increased by about 30% to 50% as compared with the operation of only centrifugation.
[0018]
(Drive means)
A driving motor may be used as a driving unit for driving the solution containing unit. As the drive motor, a known drive motor such as a swing rotor or an angle rotor can be used. Examples of the swing rotor include those described in JP-A-9-155235.
[0019]
(Liquid level detection means)
Examples of the liquid level detecting means include a CCD sensor and the like. However, the liquid level detecting means is not particularly limited as long as it can detect image information of the liquid level in the tube and a change in state such as light transmission, light absorption, and light scattering. Absent. As the CCD sensor, a color CCD sensor is preferable, and a two-dimensional color CCD sensor having a larger amount of information is more preferable. According to such a liquid level detecting means, the liquid level can be accurately and quickly observed even while the solution containing means is rotating.
[0020]
As the liquid level detection means, a light source for a CCD sensor or the like may be further provided. It is preferable that the light emitted from the light source is irradiated to the solution storage means, and the liquid level is detected as image information or the like by a change in the reflectance. Therefore, preferably, the position and focus of the color CCD camera lens are adjusted so that the level of the liquid level in the tube can be observed from a full level to a small level below the filter membrane in order to obtain at least appropriate image information. The light source is not particularly limited as long as it is a light source suitable for the liquid level detecting means. The light source may be, for example, a light source integrated with the CCD camera, a light source provided near the CCD camera, or a light source opposed to the CCD camera with a tube interposed therebetween. When the tube is installed obliquely, the light source may be installed at an angle such that light is directly applied to the liquid surface. Note that there is preferably no obstacle between the light source and the solution accommodating means to block the light, and the light introduction path and the light exit path are clearly defined.
The liquid level detecting means preferably detects the liquid level of the solution at a timing synchronized with the rotation cycle of the solution containing means. In this case, the synchronization with the rotation cycle means that the rotation cycle of the solution storage means is completely the same as the detection (imaging) timing cycle, and the rotation cycle of the solution storage means is the detection (imaging) timing (period). ) It also means the case where it is an integral multiple. Such an integer includes, for example, the number of solution storage means included in the apparatus. Such a liquid level detecting means is preferably fixed at a specific position.
[0021]
(Solution supply amount control means)
The solution supply amount control means (for example, PC) obtains information on the liquid level (the height of the liquid level in the tube) from the liquid level detection means and the liquid level storage means for storing information on the solution supply amount in advance. A solution amount calculating means in the solution storing means for calculating an amount of the solution stored in the solution storing means (for example, a tube); a solution amount in the solution storing means calculated by the solution amount calculating means; Comparison means for comparing the amount of solution stored in the storage means, and solution supply amount calculation for calculating the amount of solution supplied to the solution storage means by the solution supply means according to the amount of solution compared by the comparison means Means and a solution supply amount information transmitting means for transmitting to the solution supply means the amount of the solution supplied to the solution storage means by the solution supply means calculated by the solution supply amount calculating means.
The solution supply amount control means can be constructed using a known personal computer or server.
[0022]
When a plurality of types of solutions are centrifuged, if the centrifugation is performed for a certain period of time, the respective solution accommodating means will have different filtration rates due to different filtration speeds, and all the solution accommodating means will have a predetermined solution amount. It will not be the same timing. The reasons for the difference in the filtration speed include insolubilization due to association of proteins and the properties of the protein solution itself.
Therefore, in the present invention, the protein is preferably concentrated as follows. First, after a certain period of concentration, the solution is separated into a non-concentrable solution and a condensable solution. The non-concentrable solution corresponds to a solution in which a fixed amount of the solution has not been reduced for a certain period of time. Next, the solution having the slowest concentration rate is selected from the solutions that can be concentrated, and the time required for the solution to be concentrated to a predetermined solution amount is calculated. From the required time, the solution injection amount is calculated so that all the solutions have the same amount of solution at the same time. The amount of the solution obtained here is injected into each solution storage means. By doing so, it is possible to obtain a predetermined solution amount for all the solutions at the same timing.
As described above, it is preferable to simultaneously control the amount of the solution stored in the plurality of solution storage units, and to synchronize the control signal to the solution supply unit so that each solution storage unit can be replenished with an appropriate amount of the solution. Is preferred.
[0023]
With reference to FIG. 3, an example of the liquid level adjusting mechanism of the solution containing means in the present invention will be described. In FIG. 3, A is the liquid level when the protein solution in the tube (solution storage means) is full. X is the liquid level of the liquid surface of the solution during concentration. F is the liquid level of the desired concentrated protein concentrate. A liquid level detecting means (32) such as a CCD camera detects liquid level information on the height of the liquid surface irradiated by the light source (31). Information on the detected liquid level is transmitted to the solution supply amount calculation means (33) of the control means, and the solution supply amount calculation section (33a) of the control means calculates the liquid level X and the desired liquid level. Compare with F. If X and F match, a control signal for terminating the concentration operation is transmitted to the solution supply means (34), a motor control mechanism, and the like. If X and F do not match, information about the appropriate amount of solution to be supplied (for example, AX or AF amount) is transmitted to the solution supply means (34). The solution supply means (34) includes a protein solution reservoir (34a) and a liquid replenishment / injection automatic dispenser (34b), and replenishes an appropriate amount of solution to the solution storage means based on information from the solution supply means. . The concentration operation is repeatedly performed until X and F match.
[0024]
(Solution supply means)
The solution supply means accommodates the solution, and supplies the amount of the solution determined by the solution supply amount control means to the solution accommodation means. The solution supply means is rotatable, for example, in synchronization with the rotation cycle of the solution storage means, and is connected so that the solution can be supplied to the solution storage means (tube). It is preferable that the solution storage means, the solution supply path, and the solution supply means rotate integrally. A known solution supply path can be used as the solution supply path connecting the solution storage means and the solution supply means. One that can supply the solution to the solution supply means even when the solution storage means is rotationally driven is exemplified. For example, a solution supply passage and a solution supply unit that rotates together with the solution storage unit may be used. It is preferable that the solution supply means and the solution storage means be connected and rotate together. Another preferred example is one in which the solution supply means also rotates in synchronization with the rotation cycle of the solution storage means. With such a configuration, the relative speed of the solution containing unit and the solution supplying unit with respect to the specific position can be kept constant, and the solution is supplied to the solution supplying unit even when the solution containing unit is rotationally driven. You can do it.
Alternatively, the solution supply means is not connected to each of the solution storage means, and is synchronized with the rotation of each of the solution storage means to release the solution so that the specific solution storage means stores the solution. To supply the solution.
In this case, in order to prevent the solution to be supplied from being shaken off by the rotation of the solution storage means, a wall may be provided, or a tube may be extended from the solution supply means to the edge of the mouth of the solution storage means.
Preferably, the solution supply means is electrically connected to the solution supply amount control means (PC). It is preferable that the solution contained in the solution supply means is not affected by vibration or the like. Therefore, a reservoir or the like that constitutes the solution supply means and contains a component (eg, protein) of the solution to be supplied to the solution storage means is installed, for example, on the same axis as the central axis of the plurality of solution storage means or on the concentric axis of the rotor. It is preferred that In addition, components of a solution (such as a buffer solution) that is less likely to be affected by vibration or the like may be provided around the rotor.
[0025]
(Contrast member)
In the concentration device of the present invention, it is preferable that a contrast section is provided on the side of the solution containing means (tube) opposite to the liquid level detecting means (CCD). That is, it is preferable that the arrangement is such that the solution storage means is located between the contrast member and the liquid level detection means. The contrast member preferably has a surface having a complementary color relationship with the color of the object such as a protein. For example, the contrast member has a black surface, and the liquid level detecting means (CCD) is contained in a solution containing means (tube). For detecting the liquid level more clearly. In addition, the thing which colored the hole part of the rotor which accommodates a tube in black etc. may be used as a contrast member, and it is good also as a contrast member provided with a lining.
[0026]
(Abnormal vibration detection device)
It is preferable that the solution concentrating device of the present invention can prevent abnormal vibration by the abnormal vibration detecting device. As the abnormal vibration detecting device, for example, the device described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-104030 can be used. That is, as a means for detecting abnormal vibration such as when the rotational balance is not maintained, the rotor is determined by a mechanism for determining the rotating body of the centrifuge, and after passing through the critical speed, the drive shaft unit or the motor unit or the rotor is determined. Centrifugal separation with the function of measuring the vibration of the rotor, comparing the permissible vibration value of each rotor that has been input in advance with the measured vibration value, and stopping the rotor if the permissible value of the rotor is exceeded. It is preferable to use an abnormal vibration detection device of the machine. According to this abnormal vibration detection device, when the rotor starts to rotate, the rotor is determined by the adapter attached to the bottom of the rotor, and the rotation sensor is used to determine that the vehicle has passed the critical speed, and then the deflection is measured by the distance meter Then, it is compared with an allowable run-out amount for the rotor that has been measured and input in advance. As a result of the comparison, if the value exceeds the allowable value of the rotor previously input, the rotor is decelerated. In this way, abnormal vibration can be prevented.
[0027]
(Solution concentration method)
Hereinafter, an example of a solution concentration method using the solution concentration device of the present invention will be described with reference to FIG. Note that “S” in FIG. 4 means a step.
[0028]
First, a tube (solution storage means) is loaded into the solution concentrating device (centrifuge) of the present invention (S101). When using a plurality of tubes, it is preferable to install them while keeping a balance on a diagonal line. More specifically, when four tubes are used as shown in FIG. 5, it is preferable that the tubes are arranged in the order of diagonal lines 1, 2, 3, and 4 in FIG. Even when the number of target solutions is smaller than the number of tubes provided, it is preferable to put a dummy solution in the tubes to achieve balance. For example, in the case of a device for centrifuging four tubes at the same time, even if only three tubes are required, the remaining one is filled with a liquid having the same weight as the solution and four tubes are filled. It is preferable to centrifuge at the same time. By doing so, the rotational balance can be maintained, and the occurrence of abnormal vibration can be prevented.
[0029]
Next, the solution (purified protein and buffer) is filled into the tube (S103), and the desired amount is automatically set by the liquid level detection means, the solution supply amount control means, and the solution supply means. Preferably it is supplied.
[0030]
Enter the rotation speed of the concentrator. Then, the solution supply amount control means of the present invention waits for input information on the rotation speed (S105). Preferably, the input information is stored by the storage unit of the solution supply amount control unit. It is also preferable that input means for the rotational speed is stored in advance.
[0031]
The drive motor receives the information on the rotation speed stored in the solution supply amount control means, and rotates the rotor holding the tube (S107). The rotation speed includes, for example, 1000 rpm to 10000 rpm, and more specifically, 3000 rpm, but is not limited thereto. The rotation time is not particularly limited, and may be, for example, 10 to 30 minutes.
[0032]
The liquid level detection means detects the liquid level in the tube when the rotation of the rotor is stopped once, the rotation of the rotor is slowed, or the rotor is rotating (S109). At this time, it is preferable that the liquid level detecting means can detect even if there is an abnormality such as clogging of the filter or displacement of the filter. If there is any abnormality, replace the tube or adjust the filter etc., and rotate again (return to S101).
[0033]
The rotor is rotated again (S111). The rotation speed at this time includes, for example, 1000 rpm to 10000 rpm, and more specifically, 5000 rpm for obtaining a predetermined centrifugal acceleration, but is not limited thereto. The rotation time is not particularly limited, and may be, for example, 10 minutes to 30 minutes.
[0034]
When the rotation of the rotor is stopped once, the rotation of the rotor is slowed, or the rotor is rotating, the liquid level detection means detects the liquid level in the tube (S113). At this time, it is preferable that the liquid level detecting means can detect even if there is an abnormality such as clogging of the filter or displacement of the filter. If there is any abnormality, replace the tube or adjust the filter, etc., and rotate again (return to S101).
[0035]
The information on the liquid level of each tube detected by the liquid level detecting means is transmitted to the solution amount controlling means, and the solution amount controlling means sends information on an appropriate amount of the solution to be supplied to the tube to the solution supplying means. (S115).
[0036]
The solution supply means calculates the average value of the liquid level according to the liquid level of each tube based on the information about the appropriate amount of the solution to be supplied to the tubes transmitted from the solution amount control means. Then, an appropriate amount of solution is supplied to each tube (S117).
[0037]
Steps 111 to 117 are repeated until a desired amount of the concentrated solution is obtained.
[0038]
When the desired amount of concentrated solution is obtained, reduce the number of revolutions of the rotor. The number of rotations at this time is, for example, 100 rpm to 3000 rpm, and specifically, 1000 rpm (S119).
[0039]
Further, the liquid level may be checked to confirm that the desired amount has been collected (S121). In addition, it is preferable to manufacture about 300 microliter as a protein concentrate for NMR analysis.
[0040]
The rotation of the tube is stopped (S123). Thereafter, the tube is taken out (S125). The operation of removing the tube may be performed manually or may be automatically performed by a machine.
[0041]
The removed tube is preferably set up on a column and allowed to stand (S127). Thus, a concentrated solution can be obtained. The present invention is particularly useful as a method for concentrating proteins.
[0042]
When a concentrated solution of a protein is obtained through the above steps, the solution can be suitably used for NMR and X-ray analysis, and is greatly utilized for three-dimensional structure analysis of proteins and domains and functional analysis of proteins.
[0043]
(Nuclear magnetic resonance method)
NMR techniques place the material to be examined (usually in a suitable solvent) in a strong magnetic field and align with the magnetic field until excited by radio frequency (rf). They absorb resonance energy and re-emit at a frequency determined by i) the type of nucleus and ii) the atomic environment. In addition, resonance energies transfer from one nucleus to another through binding or three-dimensional space, giving information about the environment of a particular nucleus and its surrounding nuclei.
Examples of the NMR apparatus include DRX-600 available from Bruker, INOVA600 available from Varian, and α-600 available from JEOL.
[0044]
NMR can be measured as follows. First, the mixed solution is poured into the NMR sample tube using a cooled Pasteur pipette or the like. At this time, a concentrated solution of the protein concentrated by the solution concentrating device of the present invention is used. According to the present invention, an appropriate concentrated solution can be obtained in a short time, so that operations including NMR can be performed appropriately and quickly. Furthermore, three-dimensional structure analysis and functional analysis of proteins and domains based on NMR analysis data can be rapidly performed.
[0045]
The Pasteur pipette preferably has a length of 20 cm or more, and can be purchased from, for example, Towa Kagakusha. The NMR sample tube is inserted into an NMR static magnetic field which has reached a target temperature (17 ° C. to 57 ° C.) in advance. The magnitude of the magnetic field is preferably between 90 MHz and 1000 MHz, more preferably between 600 MHz and 900 MHz. Since the degree of the magnetic field orientation is proportional to the square of the magnetic field strength, a higher magnetic field condition is more desirable. For example, as two-dimensional NMR, 2D, DOQ-COSY, TOCSY, NOESY, HSQC, etc., and as multidimensional NMR, HNCO, HCACO, HNCA, HCA (CO) N, HN (CO) CA, HNHB, CBCANH, H ( CA) NH, HBHA (CO) NH, HCCH-COSY, HCANH, HCCH-TOCSY, HCACON, Fifteen N-NOESY-HSQC, 13 C-NOESY-HSQC and the like are known.
[0046]
(X-ray analysis method)
In X-ray crystallography, an X-ray beam is directed at a crystal (or fiber) of a substance to be examined and is refracted by molecular atoms that align within the crystal. The scattered X-rays are captured by a photosensitive plate and developed using standard techniques. The diffracted X-rays can be visualized as a series of spots on the photosensitive plate, and the molecular structure in the crystal can be determined from this pattern. In X-ray crystallography, it is desired to obtain a pure and large crystal. By using a protein concentrate concentrated by the solution concentrating device of the present invention, a protein crystal with high purity can be obtained, so that a pattern of X-ray crystal analysis with high accuracy can be obtained. Further, according to the present invention, since a concentrated solution can be obtained in a short time, operations including X-ray crystal analysis can be performed appropriately and quickly. Furthermore, the analysis of the three-dimensional structure of the protein and the functional analysis of the protein based on the X-ray crystallographic analysis data can be performed quickly.
[0047]
(Method of analyzing three-dimensional structure of protein)
In the latter half of the 1980's, three-dimensional structure analysis of proteins by NMR rapidly advanced (K. Wuthrich, Yoshimasa Kyogoku and Yuji Kobayashi, "NMR of proteins and nucleic acids-Structural analysis by two-dimensional NMR," Tokyo Chemical Doujin ( 1991)). In particular, use of ultra-high field magnets (currently 800 MHz at the resonance frequency of protons) and stable isotopes of nitrogen atoms and carbon molecules Fifteen N and 13 A new heteronuclear multidimensional NMR method using C has been developed. Further, from the structural information of the biomolecule obtained by NMR, it is possible to perform three-dimensional structure analysis and functional analysis of the biomolecule. Many programs for performing structural analysis from NMR data are well-known. For example, NMR Pipe, PIPP, Cap, Felix, NMR View, XEASY, and X-PLOR as three-dimensional structure calculation software for chemical shift assignment. CNS, DYANA, DYNAMO and the like are used.
[0048]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the process of concentrating proteins etc., the operation efficiency can be improved and the novel solution concentrating apparatus which can process in a short time can be provided.
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the solution concentrating apparatus which can obtain the concentrated liquid of protein etc. of a favorable state can be provided.
Advantageous Effects of Invention According to the present invention, it is possible to provide a solution concentrating device that can efficiently perform a concentration operation even when a plurality of types of protein solutions are simultaneously concentrated. According to the present invention, protein concentration is performed quickly and accurately using the solution concentrating device of the present invention, and NMR or X-ray analysis after crystallization is performed using the obtained protein concentrate to obtain protein or protein. Analyze the three-dimensional structure and function of the domain.
According to the present invention, drug discovery can be performed based on the above analysis. For this reason, the solution concentrating device of the present invention is particularly effective for drug discovery and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a schematic structural diagram showing an example of a solution concentrating device of the present invention. FIG. 1B is a top view of the device.
FIG. 2 is a schematic diagram of a mechanism for adjusting a liquid level according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a solution containing means of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a protocol for concentrating a solution using the solution concentrating device of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an arrangement of a solution storage unit, a solution supply device, and the like.
[Explanation of symbols]
1 Solution storage means
2 rotor
3 Drive motor
5 Liquid level detection means
7 Solution supply amount control means
9 Solution supply device
11 Filtrate storage section
13 Body
15 Filtration membrane
17 Cap part
18 holes
19 Concentrate recovery section
31 light source
32 Liquid level detecting means
33 Solution supply amount calculation means
33a Solution supply amount calculation unit
34 Solution supply means
34a Protein liquid server
34b Liquid replenishment injection automatic dispenser

Claims (12)

溶液収容手段に収容する溶液を遠心操作によって濃縮する溶液濃縮装置であって、
前記溶液収容手段に収容される溶液の液面レベルを検出する液面検出手段と、
前記液面検出手段により検出される液面レベル情報に基づいて、溶液収容手段に供給すべき溶液の量を制御する溶液供給量制御手段と、
前記溶液供給量制御手段により求められた量の溶液を前記溶液収容手段に供給する溶液供給手段と、
を具備する溶液濃縮装置。
A solution concentrator for concentrating the solution contained in the solution containing means by a centrifugal operation,
Liquid level detection means for detecting the liquid level of the solution stored in the solution storage means,
Solution supply amount control means for controlling the amount of the solution to be supplied to the solution storage means, based on the liquid level information detected by the liquid level detection means,
Solution supply means for supplying the amount of solution determined by the solution supply amount control means to the solution storage means,
A solution concentrating device comprising:
前記遠心操作が溶液収容手段の回転駆動によるものであって、
前記液面検出手段が、前記溶液収容手段の回転周期に同期したタイミングで溶液の液面レベルの検出を行う手段であることを特徴とする請求項1に記載の溶液濃縮装置。
The centrifugal operation is by rotation drive of the solution storage means,
The solution concentrating device according to claim 1, wherein the liquid level detecting means is a means for detecting a liquid level of the solution at a timing synchronized with a rotation cycle of the solution containing means.
前記溶液収容手段の回転周期に同期して前記溶液供給手段を回転駆動する回転機構と、前記溶液収容手段と前記溶液供給手段とを連結する溶液供給路を更に備え、前記溶液収容手段への溶液の供給を前記溶液収容手段の回転駆動中に行う請求項2に記載の溶液濃縮装置。A rotation mechanism for rotating the solution supply means in synchronization with a rotation cycle of the solution storage means; and a solution supply path connecting the solution storage means and the solution supply means. The solution concentrating device according to claim 2, wherein the supply of the solution is performed during the rotation of the solution storage means. 前記溶液収容手段が気体加圧遠心される気体加圧手段を更に有する請求項1〜3のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置。The solution concentrating device according to claim 1, wherein the solution accommodating unit further includes a gas pressurizing unit that performs gas pressurization and centrifugation. 前記溶液収容手段が、アングルローター、またはスイングローターによって保持される請求項1〜4のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置。The solution concentrating device according to any one of claims 1 to 4, wherein the solution accommodating unit is held by an angle rotor or a swing rotor. 前記液面検出手段が、CCDセンサである請求項1又は請求項2に記載の溶液濃縮装置。3. The solution concentrating device according to claim 1, wherein the liquid level detecting means is a CCD sensor. 前記溶液をはさんで前記液面検出手段とは反対の側に設けられたコントラスト部材を有し、
前記液面検出手段が、前記溶液収容手段に収容される溶液の液面レベルをより明確に検出することができることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の溶液濃縮装置。
Having a contrast member provided on the side opposite to the liquid level detection means across the solution,
3. The solution concentrating device according to claim 1, wherein the liquid level detecting means can more clearly detect the liquid level of the solution stored in the solution storing means.
前記溶液収容手段と、前記溶液供給路、及び前記溶液供給手段が一体となって回転する請求項1〜7のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置。The solution concentrating device according to any one of claims 1 to 7, wherein the solution accommodating unit, the solution supply path, and the solution supply unit rotate integrally. 前記溶液収容手段に収容される溶液がタンパク質を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置。The solution concentrating device according to any one of claims 1 to 8, wherein the solution contained in the solution containing means contains a protein. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置を用いてタンパク質の濃度を濃縮する工程を含む、核磁気共鳴スペクトル測定用試料の製造方法。A method for producing a sample for nuclear magnetic resonance spectrum measurement, comprising a step of concentrating a protein concentration using the solution concentrating device according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜9のいずれか1項に記載の溶液濃縮装置を用いてタンパク質の濃度を濃縮する工程を含む、タンパク質の結晶の製造方法。A method for producing a protein crystal, comprising a step of concentrating a concentration of a protein using the solution concentrating device according to claim 1. 請求項10に記載の製造方法により製造された試料を用いた核磁気共鳴法、又は請求項11に記載の製造方法により製造された結晶を用いたX線結晶解析法によるタンパク質の3次元構造解析方法。A three-dimensional structure analysis of a protein by a nuclear magnetic resonance method using a sample produced by the production method according to claim 10 or an X-ray crystal analysis method using a crystal produced by the production method according to claim 11. Method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN101526384B (en) * 2009-04-17 2010-09-15 天津大学 Method for detecting liquid level by image method and device

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