RU170584U1

RU170584U1 - DEVICE FOR SYNTHESIS OF OLIGO (POLY) OF NUCLEOTIDES

Info

Publication number: RU170584U1
Application number: RU2016144550U
Authority: RU
Inventors: Юрий Геннадьевич Средин; Сергей Владимирович Власов; Андрей Владимирович Щугорев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БИОССЕТ"
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2016-11-14
Publication date: 2017-04-28

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для осуществления синтеза фрагментов молекул ДНК и РНК в автоматическом режиме и может использоваться в молекулярной биологии, генной инженерии, медицине и других отраслях человеческой деятельности.Предложен аппарат для синтеза олиго(поли)нуклеотидов, управляемый встроенным контроллером, подключенным к ЭВМ, и содержащий, по меньшей мере, источник избыточного давления, емкости с реактивами для синтеза и вспомогательными реактивами, трубопроводы и клапаны для соединения емкостей с источником избыточного давления, входной коллектор, два реактора с размещенными в них носителем, трубопроводы и клапаны для подачи реактивов из емкостей на входы реакторов и в входной коллектор, трубопроводы и клапаны, обеспечивающие отвод отработанных реактивов из реакторов в выходной коллектор и далее в дозирующее устройство, трубопроводы и клапаны, обеспечивающие подачу отработанных реактивов из дозирующего устройства в емкость для сбора отработанных реактивов, отличающийся тем, что к выходному коллектору присоединены электронный датчик давления и устройство для компенсации импульсов давления. Предлагаемый аппарат обеспечивает возможность проводить качественный синтез олиго(поли)нуклеотидов и снижать расход реактивов. 1 ил.The invention relates to devices for the synthesis of DNA and RNA fragments in an automatic mode and can be used in molecular biology, genetic engineering, medicine, and other fields of human activity. An apparatus for the synthesis of oligo (poly) nucleotides, controlled by an integrated controller connected to a computer, is proposed , and containing at least a source of excess pressure, tanks with reagents for synthesis and auxiliary reagents, pipelines and valves for connecting tanks with a source of huts pressure, inlet manifold, two reactors with a carrier placed in them, pipelines and valves for supplying reagents from the tanks to the inlets of the reactors and in the inlet manifold, pipelines and valves, which allow spent reagents to be drained from the reactors to the outlet manifold and then to the metering device, pipelines and valves for supplying spent reagents from the metering device to a container for collecting spent reagents, characterized in that an electronic pressure sensor is connected to the output manifold I have a device to compensate for the pressure pulses. The proposed apparatus provides the ability to conduct high-quality synthesis of oligo (poly) nucleotides and reduce the consumption of reagents. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам для осуществления синтеза фрагментов молекул ДНК и РНК в автоматическом режиме и может использоваться в молекулярной биологии, генной инженерии, медицине и других отраслях человеческой деятельности.The utility model relates to devices for the synthesis of fragments of DNA and RNA molecules in automatic mode and can be used in molecular biology, genetic engineering, medicine and other branches of human activity.

Аппараты для синтеза олиго(поли)нуклеотидов известны и используются на практике. Существуют аппараты как с закрытой, так и с открытой газожидкостной системой. В аппаратах с закрытой системой реактивы в реакционные ячейки доставляются по системе трубопроводов. В аппаратах с открытой системой дозирование реактивов в реакторы производится через газовую среду, как правило, через среду инертного газа. Предлагаемый аппарат имеет закрытую газожидкостную систему и обеспечивает параллельный синтез олиго(поли)нуклеотидов в нескольких реакторах.Devices for the synthesis of oligo (poly) nucleotides are known and used in practice. There are devices with both closed and open gas-liquid systems. In apparatuses with a closed system, reagents are delivered to the reaction cells via a piping system. In devices with an open system, the dosing of reagents into reactors is carried out through a gaseous medium, usually through an inert gas medium. The proposed apparatus has a closed gas-liquid system and provides parallel synthesis of oligo (poly) nucleotides in several reactors.

Известна система [Патент США №4517338] для последовательного синтеза полинуклеотидов, имеющая в своем составе два или более реакторов, емкости с реактивами и растворами и систему трубопроводов с клапанами для переключения потока реактивов из емкостей в реакторы. В реакторах размещен твердофазный носитель, на входах и выходах реакторов установлены пористые перегородки. В названной системе подача реактивов в реакторы происходит за счет избыточного давления. Удаление отработанного реактива из реактора производится за счет вытеснения инертным газом или путем замещения следующим подаваемым реактивом. Объем дозы определяется временем открытого состояния клапанов. При этом точность дозирования реактивов зависит как от физических параметров клапанов и реакторов, так и от вязкости дозируемых реактивов. Дозирующее устройство для обеспечения гарантированной подачи заданных объемов реактивов в реакторы в данной системе не предусмотрено, что может приводить либо к снижению качества синтеза, либо к перерасходу реактивов.A known system [US Patent No. 4517338] for sequential synthesis of polynucleotides, comprising two or more reactors, tanks with reagents and solutions, and a piping system with valves for switching the flow of reagents from tanks to reactors. A solid-phase carrier is placed in the reactors; porous partitions are installed at the inlets and outlets of the reactors. In the aforementioned system, the supply of reagents to the reactors occurs due to excess pressure. Removal of the spent reagent from the reactor is carried out by displacement with an inert gas or by substitution with the next supplied reagent. The dose volume is determined by the time the valves are open. Moreover, the accuracy of the dosing of reagents depends both on the physical parameters of the valves and reactors, and on the viscosity of the dosed reagents. A dosing device to ensure guaranteed supply of predetermined volumes of reagents to reactors is not provided for in this system, which can lead either to a decrease in the quality of synthesis or to overuse of reagents.

Известен аппарат [Патент США №4671941] для синтеза полинуклеотидов, имеющий в своем составе два реактора, емкости с реактивами и растворами и систему трубопроводов с клапанами для переключения потока реактивов из емкостей в реакторы. Подача реактивов в реакторы и удаление отработанных реактивом производится таким же образом, как и в выше описанной системе. Дозирующее устройство для гарантированной подачи заданных объемов реактивов в реакторы в аппарате не предусмотрено.A known apparatus [US Patent No. 4671941] for the synthesis of polynucleotides, comprising two reactors, tanks with reagents and solutions, and a piping system with valves for switching the flow of reagents from tanks to reactors. Reagents are fed into reactors and spent reagents are removed in the same way as in the system described above. A dosing device for guaranteed supply of predetermined volumes of reagents to reactors is not provided in the apparatus.

Известен синтезатор олиго(поли)нуклеотидов [Патент РФ №2073008], содержащий реактор проточного типа, в рабочем объеме которого размещен твердофазный носитель, связанный с нуклеозидным компонентом, блок смешивания реагентов, блоки размещения и подачи реагентов и промывочной жидкости, включающие сосуды для подачи реактивов и системы продавливания реактивов газом, каналы для подачи реагентов, промывающей жидкости и вывода отработанных реактивов, запорные клапаны на каналах, блок управления, отличающийся тем, что дополнительно содержит дозатор, вход которого соединен с выходом реактора, а выход с каналом вывода отработанных реактивов. Наличие в настоящем синтезаторе дозирующего устройства обеспечивает возможность экономичного и качественного синтеза олиго(поли)нуклеотидов в одном реакторе. Этот синтезатор является ближайшим аналогом предлагаемого аппарата для синтеза олиго(поли)нуклеотидов и принят за прототип настоящей полезной модели.Known synthesizer oligo (poly) nucleotides [RF Patent No. 2073008], containing a flow-type reactor, in the working volume of which is placed a solid-phase carrier associated with the nucleoside component, a unit for mixing reagents, blocks for placement and supply of reagents and washing liquid, including vessels for supplying reagents and systems for pushing reagents with gas, channels for supplying reagents, washing liquid and withdrawing spent reagents, shut-off valves on the channels, control unit, characterized in that it further comprises a dose op, whose input is connected to the outlet of the reactor, and the output from the output channel of exhaust reagents. The presence of a metering device in this synthesizer provides the possibility of economical and high-quality synthesis of oligo (poly) nucleotides in one reactor. This synthesizer is the closest analogue of the proposed apparatus for the synthesis of oligo (poly) nucleotides and is taken as a prototype of this utility model.

Настоящая полезная модель решает задачу создания аппарата для синтеза олиго(поли)нуклеотидов одновременно в нескольких реакторах, обеспечивающего снижение расхода реактивов при сохранении высокого качества синтеза.This useful model solves the problem of creating an apparatus for the synthesis of oligo (poly) nucleotides in several reactors simultaneously, which ensures a reduction in the consumption of reagents while maintaining high quality synthesis.

Предлагаемый аппарат содержит, по меньшей мере, два реактора с размещенными в них носителем, емкости с реактивами для синтеза и вспомогательными реактивами, трубопроводы и клапаны, соединяющие названные емкости через коллектор с реакторами. Емкости с реактивами в предлагаемом устройстве соединены через систему трубопроводов и клапанов с источником избыточного давления. В качестве источника избыточного давления используется баллон с газообразным гелием. Реакторы представляют собой полые цилиндры или конусы, выполненные из фторопласта или полипропилена, внутри каждого из которых установлены две пористые перегородки, а между перегородками помещен носитель. В качестве носителя используется порошок стекла с порами контролируемого размера. Типовой размер используемых частиц стекла составляет 50-100 мкм, а типовой размер пор в частицах 50-100 нм. Выходы реакторов с помощью клапанов и трубопроводов соединены с выходным коллектором, к которому в свою очередь присоединены дозирующее устройство, электронный датчик давления и устройство для компенсации импульсов давления. Выход дозирующего устройства соединен с емкостью для сбора отработанных реактивов. В аппарате использованы электромагнитные нормально-закрытые мембранные клапаны. Используемые при синтезе олиго(поли)нуклеотидов реактивы являются особо чистыми и агрессивными, поэтому мембраны и части клапанов, вступающие в контакт с реактивами, выполнены из фторопласта или полипропилена. В качестве дозирующего устройства использован поршневой насос, приводимый в движение шаговым двигателем. Клапаны, дозирующее устройство и датчик давления управляются контроллером, подключенным к ЭВМ.The proposed apparatus contains at least two reactors with a carrier placed in them, tanks with synthesis reagents and auxiliary reagents, pipelines and valves connecting these tanks through the collector with the reactors. Reagent tanks in the proposed device are connected through a system of pipelines and valves with a source of overpressure. A helium gas cylinder is used as a source of overpressure. The reactors are hollow cylinders or cones made of fluoroplastic or polypropylene, inside each of which two porous partitions are installed, and a carrier is placed between the partitions. A glass powder with pores of a controlled size is used as a carrier. The typical size of the glass particles used is 50-100 μm, and the typical pore size in the particles is 50-100 nm. The outputs of the reactors are connected via valves and pipelines to an output manifold, which in turn is connected to a metering device, an electronic pressure sensor and a device for compensating pressure pulses. The output of the metering device is connected to a container for collecting spent reagents. The device uses electromagnetic normally-closed diaphragm valves. The reagents used in the synthesis of oligo (poly) nucleotides are especially clean and aggressive, therefore, the membranes and valve parts that come into contact with the reagents are made of fluoroplastic or polypropylene. A piston pump driven by a stepper motor was used as a metering device. Valves, dosing device and pressure sensor are controlled by a controller connected to a computer.

Схема предлагаемого аппарата приведена на фиг. 1, где 1 - источник избыточного давления, 2-8 - газовые клапаны, 9 - емкость с промывочной жидкостью, 10-19 - емкости с реактивами, 20-30 - жидкостные клапаны, 31 - выходной коллектор, 32 - устройство для компенсации импульсов давления, 33 - датчик давления, 34 - реакторные клапаны, 35 - дозирующее устройство, 36 - сливной клапан, 37 - реакторы, 38 - входной коллектор, 39 - емкость для сбора отработанных реактивов, 40 - встроенный контроллер, 41 - ЭВМ.The proposed apparatus is shown in FIG. 1, where 1 is the source of overpressure, 2-8 are gas valves, 9 is a tank with flushing liquid, 10-19 are tanks with reagents, 20-30 are liquid valves, 31 is an output manifold, 32 is a device for compensating pressure pulses 33 - pressure sensor, 34 - reactor valves, 35 - metering device, 36 - drain valve, 37 - reactors, 38 - inlet manifold, 39 - capacity for collecting spent reagents, 40 - built-in controller, 41 - computer.

Предлагаемый аппарат работает следующим образом. Синтез цепи олиго(поли)нуклеотида производится за счет заполнения реакторов 37 соответствующими реактивами на заданное время и в требуемой последовательности. В реакторы 37 последовательно подаются один или несколько реактивов из емкостей 9-19. После многократной последовательной подачи в реакторы 37 требуемых реактивов на носителе происходит наращивание цепи олиго(поли)нуклеотида. Последовательность, количество и скорость подачи реактивов задаются в программе ЭВМ 41, а оперативное управление всеми исполнительными устройствами аппарата осуществляет встроенный контроллер 40.The proposed device operates as follows. The synthesis of the oligo (poly) nucleotide chain is carried out by filling reactors 37 with the appropriate reagents for a given time and in the required sequence. One or more reagents from tanks 9-19 are successively fed into the reactors 37. After multiple sequential supply to the reactors 37 of the required reagents on the carrier, the oligo (poly) nucleotide chain is expanded. The sequence, quantity and feed rate of the reagents are specified in the computer program 41, and the on-board control of all executive devices of the apparatus is carried out by the built-in controller 40.

Подача реактивов осуществляется следующим образом. В емкости с необходимыми для синтеза реактивами 9-19 подается газообразный гелий из источника избыточного давления 1 с помощью открытия соответствующих газовых клапанов 2-8. Далее открываются один или несколько жидкостных клапанов 20-30 для обеспечения подачи реактивов во входной коллектор 38 и один или несколько реакторных клапанов 34 для обеспечения подачи реактивов через один или несколько реакторов 37 в выходной коллектор 31, и поршень дозатора начинает перемещаться, обеспечивая прием отработанных реактивов в полость дозатора 35. После того, как осуществлена подача требуемого количества реактива, поршень дозатора 35 останавливается, а все открытые ранее клапаны закрываются. В процессе закрывания клапанов происходит вытеснение реактивов из-под мембраны в трубопроводы, и как следствие, резкое повышение давления в выходном коллекторе 31. Такие всплески давления нежелательны, т.к. могут вызвать перемещение реактивов через реакторы 37 в обратном направлении, а попадание отработанных реактивов в реакторы 37 может привести к снижению качества синтеза. С целью предотвращения этого нежелательного эффекта в предлагаемом аппарате к выходному коллектору 31 присоединено устройство для компенсации импульсов давления 32. Названное устройство представляет собой корпус с расположенной внутри полостью, которая разделена упругой подвижной перегородкой - мембраной из фторопласта. Одна часть полости соединена с выходным коллектором 31, а в другой части полости находится пружина, которая оказывает давление на мембрану. При появлении импульсов давления в коллекторе 31, мембрана компенсирующего устройства 32 перемещается и принимает в свою полость некоторое количество жидкости, что приводит к снижению давления в выходном коллекторе 31. После снижения давления в выходном коллекторе 31, мембрана под действием пружины возвращается в исходное положение.The supply of reagents is as follows. In a container with reagents 9-19 necessary for the synthesis, gaseous helium is supplied from an overpressure source 1 by opening the corresponding gas valves 2-8. Next, one or more liquid valves 20-30 are opened to ensure the supply of reagents to the inlet manifold 38 and one or more reactor valves 34 to ensure the supply of reagents through one or more reactors 37 to the output manifold 31, and the dispenser piston begins to move, providing the reception of spent reagents into the cavity of the dispenser 35. After the required amount of reagent has been supplied, the piston of the dispenser 35 stops and all previously opened valves are closed. In the process of closing the valves, the reagents are displaced from under the membrane into the pipelines, and as a result, a sharp increase in pressure in the outlet manifold 31. Such pressure spikes are undesirable, because can cause the reagents to move through reactors 37 in the opposite direction, and the ingress of spent reagents into reactors 37 can lead to a decrease in the quality of synthesis. In order to prevent this undesirable effect in the apparatus of the invention, a device for compensating pressure pulses 32 is connected to the output manifold 31. The said device is a housing with a cavity located inside, which is separated by an elastic movable partition — a fluoroplastic membrane. One part of the cavity is connected to the output manifold 31, and in the other part of the cavity is a spring that exerts pressure on the membrane. When pressure pulses appear in the collector 31, the membrane of the compensating device 32 moves and receives a certain amount of liquid into its cavity, which leads to a decrease in pressure in the output manifold 31. After the pressure in the output manifold 31 decreases, the membrane returns to its original position under the action of a spring.

Перемещение реактивов в предлагаемом аппарате и вышеописанном прототипе происходит за счет избыточного давления в емкостях с реактивами, а объем и объемный расход прокачиваемых реактивов определяются скоростью и величиной перемещения поршня дозирующего устройства. Причем объемный расход реактива, обеспечиваемый свободным протеканием реактива по трубопроводам должен быть больше, чем расход, обеспечиваемый перемещением поршня дозирующего устройства. Это необходимо для обеспечения избыточного давления на всем пути движения реактивов вплоть до дозатора, что дает возможность обеспечивать оптимальный режим дозирования реактивов. В том случае, если расход реактива, обеспечиваемый свободным протеканием реактива по трубопроводам меньше, чем расход, обеспечиваемый перемещением поршня дозирующего устройства, в реакторах создается разряжение и происходит дегазация - появляются газовые пузыри, которые блокируют доступ рабочих реактивов к поверхности носителя. Для удаления пузырьков газа необходимо увеличивать объемы подаваемых реактивов. Кроме того, образование пузырей ухудшает качества синтезируемых олиго(поли) нуклеотидов. В предлагаемом аппарате к выходному коллектору подключен электронный датчик давления, что дает возможность оперативно производить измерение величины избыточного давления в выходном коллекторе и автоматически выбирать оптимальный объемный расход дозирующего устройства. Наличие в предлагаемом аппарате датчика давления и устройства для компенсации импульсов давления дает возможность обеспечивать оптимальный режим дозирования реактивов. Таким образом, предлагаемый аппарат обеспечивает возможность проводить качественный синтез олиго(поли)нуклеотидов и снижать расход реактивов.The movement of the reagents in the proposed apparatus and the prototype described above occurs due to excess pressure in the tanks with reagents, and the volume and volumetric flow rate of the pumped reagents are determined by the speed and magnitude of the displacement of the piston of the metering device. Moreover, the volumetric flow rate of the reagent provided by the free flow of the reagent through the pipelines should be greater than the flow rate provided by the movement of the piston of the metering device. This is necessary to ensure excess pressure along the entire path of the movement of the reagents up to the dispenser, which makes it possible to ensure the optimal dosage of reagents. In the event that the reagent flow rate provided by the free reagent flow through the pipelines is less than the flow rate provided by the displacement of the metering device piston, a vacuum is created in the reactors and degassing occurs - gas bubbles appear that block the access of working reagents to the surface of the carrier. To remove gas bubbles, it is necessary to increase the volume of supplied reagents. In addition, the formation of bubbles impairs the quality of the synthesized oligo (poly) nucleotides. In the proposed apparatus, an electronic pressure sensor is connected to the output manifold, which makes it possible to quickly measure the excess pressure in the output manifold and automatically select the optimal volumetric flow rate of the metering device. The presence in the proposed apparatus of a pressure sensor and a device for compensating for pressure pulses makes it possible to ensure the optimal dosage of reagents. Thus, the proposed apparatus provides the ability to conduct high-quality synthesis of oligo (poly) nucleotides and reduce the consumption of reagents.

Claims

Apparatus for the synthesis of oligo (poly) nucleotides, controlled by a built-in controller connected to a computer, and containing at least a source of overpressure, tanks with synthesis reagents and auxiliary reagents, pipelines and valves for connecting the tanks to a source of overpressure, an input manifold , two reactors with a carrier placed in them, pipelines and valves for supplying reagents from the tanks to the inlets of the reactors and to the inlet manifold, pipelines and valves, providing the removal of spent reagents and reactors in the output manifold and further into the metering device, pipelines and valves, providing the supply of spent reagents from the metering device to a container for collecting spent reagents, characterized in that an electronic pressure sensor and a device for compensating pressure pulses are connected to the output manifold, while the device for compensation of pressure pulses is a housing with a cavity located inside, separated by a fluoroplastic membrane, where one part of the cavity is connected to the outlet to a lector, and in another part of the cavity there is a spring exerting pressure on the membrane, the membrane being able to move and receive fluid to reduce pressure in the output manifold, and the electronic pressure sensor is configured to measure the excess pressure in the output manifold and automatically select the optimal the volumetric flow rate of the metering device, where the metering device is a piston pump driven by a stepper motor.