WO2015144859A9 - Cell-free protein synthesis with semi-continuous or continuous supply of rna template - Google Patents

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WO2015144859A9
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Leopold Georgi
Stefan Kubick
Victoria SCHULDT
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • B01L2400/0487Moving fluids with specific forces or mechanical means specific mechanical means and fluid pressure fluid pressure, pneumatics

Definitions

  • the invention relates to a method for carrying out the reaction and for automating in vitro protein expression.
  • the method involves the immobilization of an RNA template during continuous in vitro transcription and the semicontinuous or continuous transfer of this RNA to an in vitro translation compartment for cell-free protein synthesis. Alternatively, the translation approach to RNA can be transported.
  • Cell-free protein synthesis has emerged as a simple and efficient alternative to protein expression in cell-based systems [1, 2, 3].
  • Cell-free protein synthesis is based on cell extracts (lysates) whose cellular machinery is used for translation.
  • prokaryotic cells such as Escherichia coli or eukaryotic cells from wheat germ, reticulocytes and insect cells can be used.
  • the absence of cell walls results in an open system, allowing observation of the system and specific adaptation of reaction conditions.
  • Complex proteins, such as pharmaceutically relevant proteins can be synthesized, generating completely new biochemical properties even with the help of noncanonical amino acids [4, 5].
  • the present invention relates to a method for the cell-free synthesis of polypeptides, comprising the following steps:
  • RNA is repeatedly immobilized during a semicontinuous or continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription; and this RNA is repeatedly combined with the translation approach and translated.
  • the invention is based on the technical problem that complex proteins such as membrane proteins or proteins with post-translational modifications can be produced in a functionally active manner only in eukaryotic systems.
  • the transcriptional and translational responses are separated ("linked" system) to optimize both reactions individually, but the mRNA that is synthesized during transcription becomes a template for protein synthesis in translation Therefore, an active mRNA transfer from the transcriptional to the translational compartment is needed, furthermore, the mRNA is degraded relatively rapidly by nucleases and therefore needs to be replenished continuously
  • the proposed method makes it possible to automatically transfer mRNA without interfering with transcription and translation, whereby always freshly synthesized mRNA can be replenished.
  • An automation of a method for the transfer of fresh mRNA saves time and personnel costs.
  • the mRNA is degraded by nucleases, which leads, especially in long-lived formats such as CFCF (Continuous Flow Seif reporting protein synthesis) and CECF (Continuous Exchange Seif reporting Protein Synthesis) over time, that insufficient mRNA template is available for effective translation stands.
  • CFCF Continuous Flow Seif reporting protein synthesis
  • CECF Continuous Exchange Seif reporting Protein Synthesis
  • the invention relates to a comparatively easily automatable method for cell-free protein synthesis, in which mRNA is immobilized during a continuously running transcription and actively transferred to translation.
  • the present invention relates to a method for the cell-free synthesis of polypeptides, comprising the following steps:
  • RNA is repeatedly immobilized during a semicontinuous or continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription; and this RNA is repeatedly combined with the translation approach and translated.
  • RNA is continuously produced in the reaction vessel without interruption
  • RNA is produced in the reaction vessel, whereby the RNA synthesis is briefly interrupted and resumed. This can e.g. be achieved by regular temperature cycles between 4 ° C and 37 ° C.
  • One embodiment of the invention is that the RNA is transferred after the immobilization for translation.
  • Another embodiment of the invention is that the translation approach is transferred to the RNA.
  • Another embodiment of the invention is that the method is realized in a microfluidic platform. Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is translated.
  • Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is eluted and then the free RNA is translated.
  • Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is temperature-controlled or ion-controlled or eluted by elimination or otherwise eluted and then the free RNA is translated.
  • RNA is covalently or non-covalently immobilized.
  • RNA is spatially removed by a spacer from the Immobilmaschinesmatrix defined.
  • RNA is immobilized via oligonucleotides and the oligonucleotides in turn are covalently or non-covalently immobilized via a biotin-streptavidin interaction.
  • the oligonucleotides can be spatially removed from the immobilization matrix by a spacer or immobilized directly on the matrix.
  • the immobilization is carried out a) by initially free oligonucleotides which hybridize with the RNA and subsequent immobilization of the RNA oligonucleotide hybrid, or b) by immobilized oligonucleotides, which in turn immobilize RNA by hybridization.
  • RNA is immobilized via oligonucleotides and the oligonucleotides in turn are covalently or non-covalently immobilized.
  • Another embodiment of the invention lies in the fact that the oligonucleotides are spatially removed in a defined manner by a spacer from the immobilization matrix.
  • RNA or oligonucleotides is immobilized via biotin-streptavidin interaction.
  • Another embodiment of the invention is that natural or synthetic RNA templates are synthesized.
  • RNA is transcribed from PCR products, plasmid DNA, genomic DNA, cloned DNA fragments, cDNA libraries, or synthetic oligonucleotides.
  • the cell-free system is based on wheat germs, reticulocytes, yeast, insect cells, CHO cells, cultured human cells or other eukaryotic and prokaryotic origins or is synthetic.
  • RNA is immobilized on non-magnetic, magnetic or magnetizable particles such as nano- or microparticles or other solid phases such as smooth surfaces or hydrogels or column material.
  • non-magnetic, magnetic or magnetizable particles such as nano- or microparticles or other solid phases such as smooth surfaces or hydrogels or column material.
  • the wall of the incubation vessel itself could also be used for immobilization.
  • Another embodiment of the invention is that the solid phase a) is reused or b) is discarded.
  • Another embodiment of the invention is that magnetizable particles with immobilized mRNA are moved and / or separated with permanent magnets.
  • magnetisiebare particles with immobilized mRNA with electromagnets / coils are moved and / or separated.
  • process fluids in the system such as transcription solution, translation solution or washing solution, a) are moved or b) are stationary.
  • Another embodiment of the invention is that s i c h between the process fluids, separating fluids, such as air, oil or others, are located. These release fluids can a) be permanently there or b) be removed temporarily.
  • Another embodiment of the invention is that the transcription is extra slow - for example, by the use of a slower RNA polymerase - which ensures that always freshly synthesized mRNA is transferred.
  • transcription is interrupted - for example by cooling - thereby ensuring that always freshly synthesized mRNA is transferred.
  • RNA is intermediately stored at low / no nuclease activity (for example, by cooling) and is then first delivered semicontinuously or continuously for translation.
  • Another embodiment of the invention is that smaller or larger particles with RNA immobilization function are immobilized in a column.
  • non-magnetic, magnetic or magnetizable particles such as nanoparticles or microparticles or other solid phases such as smooth surfaces or hydrogels for RNA immobilization are used and the automation is done via pipetting robot.
  • the method is compatible with the CECF and CFCF formats.
  • the method can also be used for very small reaction volumes in the range below 10 ⁇ .
  • the RNA immobilization matrix is reusable.
  • the method for carrying out the reaction for cell-free protein synthesis described here is relevant in all biochemical and biotechnological disciplines dealing with recombinant protein expression. Especially in the field of production of functional proteins with post-translational modifications and the expression of membrane proteins for the elucidation of protein structures or for pharmaceutical research and protein production, this method could be of great importance.
  • the method is automatable and forms the basis of an automated reactor for cell-free protein synthesis with separately controlled and controllable compartments.
  • the method can be implemented in small systems in the form of microfluidic platforms or even on a large scale.
  • the immobilization of the RNA takes place on magnetic particles and these are moved by the microfluidic system by means of the device.
  • the device comprising a support for the microfluidic system consisting of a polymer plate having structured channels (e.g., made by milling or stamping).
  • the dimensions of the microfluidics are preferably about 127 mm x 85 mm and a thickness of about 1, 5 mm.
  • Another component of the device is a 3-axis movable multifunction head with holders for a permanent magnet and a camera for process control.
  • the system includes an electronically controlled
  • the multifunctional head can be positioned, for example, by stacking two linear stages and a pneumatic lifting cylinder or by a combination of spindle drives in 3-dimensional space.
  • the permanent magnet is attached to the multifunction head and the magnetic field is focused by an attached metal cone onto a microfluidic channel. If the metal cone is guided with the focused magnetic field to a channel containing magnetic particles dissolved in liquid, then the particles collect in the area of this field. Is the metal cylinder now by moving the multifunctional head along a
  • the multifunctional head is equipped with a camera which tracks the movement of the particles.
  • Necessary pumping steps are accomplished by a syringe pumping array of e.g. 8 independently controllable syringe pumps controlled.
  • Software controls the movement of the syringe pumps, the 3-axis system and the temperature control.
  • RNA templates were stabilized with 5 'and 3' hairpin structures against degradation by nucleases, immobilized via oligonucleotides during in vitro transcription, and then coupled to magnetic particles. Furthermore, on-chip mRNA transfer was performed by magnetic particles, which are TRITTED
  • the TRITT platform is a modular microreactor that can be adapted to different reaction conditions. Optimizations of the reaction conditions are easy to make due to the separate reaction areas / compartments.
  • TRITT stands for "Transcription-RNA Immobilization & Transfer - Translation”.
  • Transcribed RNA is automatically transferred from the transcription area to the transcription area of the device. Automatic washing steps are integrated. The different areas can be used in parallel.
  • the TRITT concept should be compatible with all reaction formats described above.
  • Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides (Hyb3A-15T) that are complementary to the constant part of the mRNA (N 0 -eYFP-C 0 ).
  • eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template.
  • mRNA was repeatedly immobilized on the functionalized particles. Again and again, new particles were used, or the particles were reused after elution of the mRNA. In both cases the same amount of mRNA was immobilized for equal times. By extending the incubation time from 30 min to 45 min, more mRNA could be immobilized. The amount of immobilized mRNA can be adjusted by incubation time and particle amount. Transcription is not disturbed by the immobilization of the mRNA.
  • Magnetizable streptavidin-loaded particles (C1 beads) were functionalized with biotinylated oligonucleotides (Hyb5A-15T or Hyb3B) that are complementary to the constant part of the mRNA.
  • eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template (N 0 - eYFP-Co). The mRNA was immobilized on the functionalized particles.
  • the mRNA was again eluted from the particles and placed for translation. Fluorescence intensities of the synthesized eYFP were detected, which are in the range of reference translation with conventionally purified by gel filtration mRNA lie. The translation with the previously immobilized and re-eluted mRNA is thus possible without inhibiting the reaction.
  • the immobilized mRNA was directly translated.
  • the translation of free mRNA which was conventionally purified by gel filtration, was carried out in the presence of the unfunctionalized particles. The translation is inhibited.
  • the translation of immobilized mRNA on these particles leads to similar fluorescence intensities as the reference translation of free mRNA in the presence of unfunctionalized particles.
  • the translation is not or hardly additionally inhibited by immobilized mRNA.
  • an alternative solid phase for mRNA immobilization that does not inhibit translation, effective translation should be possible.
  • Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA.
  • mRNA was transcribed from linear PCR templates and from circular expression vectors as well as linearized expression vectors. Furthermore, mRNA encoding eYFP and luciferase was synthesized. In each case, the same amount of mRNA could be immobilized. For quantification, on the one hand, the amount of mRNA was compared before and after the immobilization process and, on the other hand, the immobilized mRNA was eluted again after a washing process. Both methods led to the same result.
  • Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA.
  • eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template. The mRNA was immobilized on the functionalized particles. The mRNA-loaded particles were washed on the one hand in a reaction vessel and eluted. In parallel, the mRNA-loaded particles were washed and eluted in a specially designed microfluidic system with magnetically-activated particle transfer. In both ways, the same amount of mRNA was eluted. This demonstrates the automatability of the washing and elution step in a micro-fluidic system.
  • Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA.
  • the transcription of the eYFP-encoding mRNA was carried out by a PCR template,
  • the immobilization of this mRNA to magnetizable particles, the magnetically actuated separation of the particles, the washing process and the elution of the immobilized mRNA were in a reaction vessel and parallel in a specially designed microfluidic System performed. In both ways, the same amount of mRNA could be immobilized, transported and eluted. This shows the automation of the entire process in a microfluidic system.
  • Transcription 4 is carried out on a solid phase 6 in a transcriptional compartment 1.
  • FIG. 8C shows the implementation of the inventive method in reaction vessels (reaction vessel one 8, reaction vessel two 9), in which the translation batch is transferred to the RNA.
  • Fig. 8D shows an embodiment of the invention in which the immobilized RNA is eluted and then the free RNA is translated. The immobilized RNA is temperature-controlled or ion-controlled or eluted by cleavage or otherwise, and then the free RNA is translated.
  • FIG. 8E schematically shows an embodiment variant of the inventive method in which immobilized RNA is translated.
  • Figure 9 shows various immobilization possibilities of RNA for use in the inventive method.
  • the RNA 3 bound to a solid phase 6 can be immobilized by covalent or noncovalent bonds 12 (FIG. 9A).
  • Fig. 98 illustrates an embodiment in which the RNA is spatially removed by a spacer 10 defined by the immobilization matrix.
  • the RNA is immobilized via oligonucleotides 11, wherein the oligonucleotides themselves are covalently or non-covalently immobilized.
  • FIG. 9D shows an embodiment in which the oligonucleotides are spatially removed in a defined manner from the immobilization matrix via a spacer.
  • Fig. 9E shows a performance form in which RNA or oligonucleotides are immobilized via biotin-streptavidin interaction.
  • the transcribed mRNA was immobilized during transcription by using biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA, the oligonucleotides in turn bound to magnetizable streptavidin-loaded particles (eg streptavidin coated superparamagnetic dynabeads of the firmnavitrogen) and where no spacer or a Oligo (dT) 15 spacer was used to spatially remove the oligonucleotides from the immobilization matrix.
  • magnetizable streptavidin-loaded particles eg streptavidin coated superparamagnetic dynabeads of the firmnavitrogen
  • dT Oligo
  • the mRNA-loaded particles were removed from transcription after 10-30 min (depending on the RNA concentration in the transcription, which increases over time) at room temperature (RT) with 5-30 ⁇ M mM HEPES buffer at 0.5-2.5 mM Mg 2+ (MgCl 2 or CH 3 COO) 2 mg) and / or 50-100 mM KCl with 2-3 repetitions of the washing process and the RNA was washed at 25 ° C-70 ° C with 0.5-2 ⁇ _ water, pure 30 mM HEPES buffer or 30 mM HEPES buffer with MgCl 2 or CH 3 COO) 2 Mg or KCl eluted from the particles.
  • the free mRNA-containing eluate was supplied to the translational mix after cooling to 27 ° C and the free RNA was translated. This process was repeated several times to deliver semicontinuously RNA for translation.
  • the translation took place in a volume of 20-50 ⁇ _ at 27 ° C in Sf21 insect cell lysate system. Depending on the system, translation can take 90 minutes to at least 24 hours.
  • the number of repetitions for the immobilization and the transfer of the RNA from the transcription to the translation depends on the translation volume (the more translational volume, the more RNA and thus repetitions are needed) and the amount of particles (the more particles, the fewer repetitions).
  • the translation volume the more translational volume, the more RNA and thus repetitions are needed
  • the amount of particles the more particles, the fewer repetitions.
  • microfluidic system For the particle separation from the transcription, the transfer of the particles, the washing and elution step as well as the tempering of the individual reaction steps (transcription, elution, translation) a microfluidic system was used.
  • the microfluidic system consisted of the material cyclo-olefin copolymer (COC) and had approximately the dimensions of a microtiter plate (127 mm x 85 mm) and a thickness of about 1, 5 mm.
  • the microfluidic structures had a depth of 0.3-1 mm and the channels a width of 0.3-1 mm and were made by milling or injection molding.
  • COC film e.g., 135 ⁇
  • This droplet of dissolved RNA can be fluidly transported to the translation system (operated, for example, at 27 ° C).
  • the various temperature zones on the microfluidic chip were adjusted by electronic heating elements and by feedback control via a temperature sensor.
  • the process fluids transcription / translation solutions, washing / elution solutions
  • FIG. 7 gives an overview of the microfluidic system for cell-free protein synthesis.
  • the microfluidic structure ( Figure 2 AB) was micromilled into a 1.55 mm amorphous thermoplastic COC substrate (Cyclic Olefin Copolymer COC (TOPAS 6013-S04)). Access holes allow connection to a liquid flow.
  • the structured substrate with the rectangular channels (500 ⁇ wide and deep), the reaction chambers (height 500 ⁇ ) and access holes by thermal bonding permanently with a 135 ⁇ thick COC film (TOPAS 6013) than Cover plate (Fig. 7 A) connected.
  • the process temperatures were controlled by the integrated temperature sensors and thermal actuators, such as heating pads and heating resistors, mounted on an aluminum heat spreader (Figure 7 A / C). Three temperature zones were realized on the chip: 37 ° C for the transition chambers / compartments, 70 ° C for the elution chamber / elution compartment, and 27 ° C for the translation chamber / translation compartment. Homogeneity of the surface heating was determined by IR thermography (IR). Cam SC6000) verified. Air vents were placed around the elution chamber to ensure thermal isolation of the various temperature zones.
  • IR thermography IR thermography
  • RNA-transferring magnetisable particles in the microfluidic system To manipulate the RNA-transferring magnetisable particles in the microfluidic system, a permanent magnet with a tapered attachment (Figure 7A) was mechanically moved through a motorized xy (-z) stage. The cone-shaped attachment was necessary to focus the magnetic field of a 10 mm 3 cubic NdFeB permanent magnet. In order to optimize the geometry of the attachment, the magnetic field density around the magnet and attachment assembly was calculated using the Finite Element Method (FEM) with the ANSYS software (version 14.5).

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Abstract

The invention relates to a method for semi-continuously or continuously supplying freshly synthesized RNA from a continuously proceeding in vitro transcription formulation to an in vitro translation formulation for cell-free protein synthesis. The method contains the following steps: immobilizing the freshly synthesized RNA from the transcription and using said RNA for the in vitro translation. Either the RNA can be transferred to the translation formulation or the translation formulation can be transferred to the RNA. In any case, RNA is semi-continuously or continuously fed to the translation and the transcription continues to proceed even after RNA removal. The invention further relates to the ability to automate said method.

Description

Automatisierung der zellfreien Proteinsynthese mit semikontinuierlicher oder kontinuierlicher Zuführung frisch synthetisierter RNA Template  Automate cell-free protein synthesis with semicontinuous or continuous delivery of freshly synthesized RNA template
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reaktionsführung und zur Automatisierung einer in vitro Proteinexpression. Das Verfahren beinhaltet die Immobilisierung eines RNA Templates während einer kontinuierlichen in vitro Transkription und den semikontinuierlichen oder kontinuierlichen Transfer dieser RNA zu einem in vitro Translationskompartiment für die zellfreie Proteinsynthese. Alternativ kann auch der Translationsansatz zur RNA transportiert werden. The invention relates to a method for carrying out the reaction and for automating in vitro protein expression. The method involves the immobilization of an RNA template during continuous in vitro transcription and the semicontinuous or continuous transfer of this RNA to an in vitro translation compartment for cell-free protein synthesis. Alternatively, the translation approach to RNA can be transported.
Stand der Technik und Hintergrund der Erfindung Prior art and background of the invention
In der jüngeren Vergangenheit hat sich die zellfreie Proteinsynthese als einfache und effiziente Alternative zur Expression von Proteinen in zellbasieren Systemen entwickelt [1 , 2, 3]. Die zellfreie Proteinsynthese basiert auf Zellextrakten (Lysaten), deren zelluläre Maschinerie für die Translation verwendet wird. Für die Lysatherstellung können prokaryotische Zellen wie Escherichia coli oder eukaryotische Zellen aus Weizenkeimen, Retikulozyten und Insektenzellen verwendet werden. Die Abwesenheit von Zellwänden führt zu einem offen System, was eine Beobachtung des Systems und die spezifische Anpassung der Reaktionsbedingungen erlaubt. Es können komplexe Proteine, wie pharmazeutisch relevante Proteine, synthetisiert werden und dabei sogar mit Hilfe von nichtkanonischen Aminosäuren komplett neue biochemische Eigenschaften erzeugt werden [4, 5]. Der gesamte Prozess der zellfreien Proteinsynthese wurde in der Vergangenheit vor allem auf biochemischer Ebene optimiert um höhere Erträge und aktive Proteine zu erhalten. Aber auch auf der Ebene der Reaktionsführung wurden neue Reaktionskonzepte entwickelt: Es gibt prinzipiell zwei verschiedene Wege für die Reaktionsführung: Das gekoppelte System, bei dem Transkription und Translation simultan in demselben Kompartiment ablaufen, und das „linked" System, bei dem die Transkription und die Translation nacheinander und räumlich getrennt voneinander stattfinden. Das„linked" System ermöglichte die Reaktionsbedingungen für beide Reaktionen - die Transkription und die Translation - optimal anzupassen. Es wird entweder der Transkriptionsmix direkt zur Translation gegeben oder die synthetisierte RNA wird beispielsweise über Gelfiltration aufgereinigt und anschließend zur Translation gegeben. Des Weiteren gibt es verschiedene Formate für die in vitro Translation: Das Batch-Format in dem alle Komponenten in einem Ansatz vorliegen. Es besitzt einen einfachen Aufbau, führt aber zu nur kurzen Proteinsynthese-Zeiten. Dies liegt an der Erschöpfung von Energiequellen, z.B. ATP und GTP, sowie an der Anreicherung mit Reaktionsprodukten wie anorganischem Phosphat, AMP und GMP, die die Reaktion inhibieren. Die komplizierteren kontinuierlichen Formate erlauben längere Reaktionszeiten und dadurch höhere Ausbeuten: Beim „continous flow cell-free" System (CFCF System) werden permanent Energiequellen zugeführt und die Reaktionsprodukte werden mittels Ultrafiltration entfernt [6]. Die Dialyse Version des „continous exchange cell-free" System (CECF System) entfernt die niedermolekularen inhibierenden Reaktionsprodukte permanent mittels Dialyse, was den Aufbau vereinfacht und dadurch kosteneffektiver ist [7]. Ein weiterhin limitierender Faktor - gerade für die langlebigen Formate - ist der Abbau der RNA Template durch Nukleasen. In the recent past, cell-free protein synthesis has emerged as a simple and efficient alternative to protein expression in cell-based systems [1, 2, 3]. Cell-free protein synthesis is based on cell extracts (lysates) whose cellular machinery is used for translation. For lysate production, prokaryotic cells such as Escherichia coli or eukaryotic cells from wheat germ, reticulocytes and insect cells can be used. The absence of cell walls results in an open system, allowing observation of the system and specific adaptation of reaction conditions. Complex proteins, such as pharmaceutically relevant proteins, can be synthesized, generating completely new biochemical properties even with the help of noncanonical amino acids [4, 5]. The entire process of cell-free protein synthesis has been optimized in the past, especially at the biochemical level to obtain higher yields and active proteins. However, new reaction concepts have also been developed at the level of reaction: there are basically two different ways of carrying out the reaction: the coupled system, in which transcription and translation take place simultaneously in the same compartment, and the linked system, in which transcription and transcription take place Translation into succession and spatially separated, and the "linked" system allowed optimal adaptation of the reaction conditions for both reactions - transcription and translation. Either the transcription mix is added directly to the translation or the synthesized RNA is purified, for example, by gel filtration and then added for translation. Furthermore, there are various formats for in vitro translation: The batch format in which all components are present in one approach. It has a simple structure, but results in only short protein synthesis times. This is due to the depletion of energy sources, eg ATP and GTP, as well as the accumulation of reaction products such as inorganic phosphate, AMP and GMP, which inhibit the reaction. The more complicated continuous formats allow longer reaction times and thus higher yields: In the continuous flow cell-free (CFCF) system, sources of energy are permanently supplied and the reaction products are removed by ultrafiltration. [6] The dialysis version of the "continous exchange cell-free "System (CECF System) permanently removes the low molecular weight inhibitory reaction products by dialysis, which simplifies the design and is therefore more cost effective [7]. Another limiting factor - especially for the long-lived formats - is the degradation of RNA templates by nucleases.
Kurzbeschreibung der Erfindung Brief description of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur zellfreien Synthese von Polypeptiden, die folgende Schritte umfasst: The present invention relates to a method for the cell-free synthesis of polypeptides, comprising the following steps:
1 ) Immobilisierung der RNA; 1) immobilization of the RNA;
2) Translation der RNA; 2) translation of the RNA;
Wobei die RNA wiederholt während einer semikontinuierlichen oder kontinuierlichen in vitro RNA Synthese immobilisiert wird, was die Transkription nicht beendet; und diese RNA wiederholt mit dem Translationsansatz vereinigt und translatiert wird. The RNA is repeatedly immobilized during a semicontinuous or continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription; and this RNA is repeatedly combined with the translation approach and translated.
Beschreibung der Erfindung Description of the invention
Der Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, dass komplexe Proteine wie zum Beispiel Membranproteine bzw. Proteine mit posttranslationalen Modifizierungen nur in eukaryotischen Systemen funktionell aktiv hergestellt werden können. Für eine optimale Proteinausbeute, wird hier die Transkriptions- und die Translationsreaktion voneinander getrennt („linked" System), um beide Reaktionen einzeln optimieren zu können. Die mRNA, die bei der Transkription synthetisiert wird, wird jedoch in der Translation als Template für die Proteinsynthese benötigt. Daher wird ein aktiver mRNA Transfer aus dem Transkriptions- in das Translationskompartiment benötigt. Des Weiteren wird die mRNA relativ schnell von Nukleasen abgebaut und muss deshalb kontinuierlich nachgeliefert werden. Die hier entworfene Methode ermöglicht es automatisiert mRNA zu transferieren, ohne die Transkription und Translation zu stören, wodurch immer frisch synthetisierte mRNA nachgeliefert werden kann. Eine Automatisierbarkeit eines Verfahrens zum Transfer frischer mRNA spart Zeit- und Personalkosten. The invention is based on the technical problem that complex proteins such as membrane proteins or proteins with post-translational modifications can be produced in a functionally active manner only in eukaryotic systems. For optimal protein yield, the transcriptional and translational responses are separated ("linked" system) to optimize both reactions individually, but the mRNA that is synthesized during transcription becomes a template for protein synthesis in translation Therefore, an active mRNA transfer from the transcriptional to the translational compartment is needed, furthermore, the mRNA is degraded relatively rapidly by nucleases and therefore needs to be replenished continuously The proposed method makes it possible to automatically transfer mRNA without interfering with transcription and translation, whereby always freshly synthesized mRNA can be replenished. An automation of a method for the transfer of fresh mRNA saves time and personnel costs.
Derzeitige Unternehmungen zur zellfreien Synthese von Proteinen umfassen gekoppelte Systeme und„linked" Systeme. Im ersteren finden Transkription und Translation simultan in einem Reaktionskompartiment statt, wodurch die mRNA nicht transferiert werden muss. Dadurch können aber die einzelnen Reaktionen nicht individuell optimiert werden, was aber gerade für eukaryotische zellfreie Systeme essentiell ist, um höhere Proteinausbeuten zu erhalten. Im „linked" System finden die Reaktionen nacheinander statt. Die Transkriptionslösung wird komplett zur Translation gegeben oder komplett aufgereinigt und nur die RNA wird zur Translation gegeben. Die Transkription läuft anschließend nicht weiter und das gesamte mRNA-enthaltende Volumen wird einmalig zur Translation gegeben. Die mRNA wird von Nukleasen abgebaut, was gerade bei langlebigen Formaten wie CFCF (Continuous Flow seif reporting protein synthesis) und CECF (continuous exchange seif reporting protein synthesis) mit der Zeit dazu führt, dass nicht mehr genügend mRNA Template für eine effektive Translation zur Verfügung steht. Um dieses Problem zu vermindern wurde versucht die mRNA zu stabilisieren. Dies kann zum Beispiel durch Immobilisierung geschehen, was aber nur die terminalen mRNA-Regionen vor Abbau schützt und bisher zu geringeren Ausbeuten bei der Translation führt. Current efforts for cell-free synthesis of proteins include coupled systems and linked systems, whereas in the former transcription and translation take place simultaneously in a reaction compartment, which does not require the transfer of mRNA, but the individual reactions can not be optimized individually is essential for eukaryotic cell-free systems in order to obtain higher protein yields, whereas in the linked system the reactions take place sequentially. The transcription solution is completely translated or completely purified, and only the RNA is translated. The transcription then stops running and the entire mRNA-containing volume is given once for translation. The mRNA is degraded by nucleases, which leads, especially in long-lived formats such as CFCF (Continuous Flow Seif reporting protein synthesis) and CECF (Continuous Exchange Seif reporting Protein Synthesis) over time, that insufficient mRNA template is available for effective translation stands. In order to reduce this problem it was tried to stabilize the mRNA. This can be done for example by immobilization, but this protects only the terminal mRNA regions from degradation and so far leads to lower yields in translation.
Bei der Erfindung handelt es sich um eine vergleichsweise einfach automatisierbare Methode zur zellfreien Proteinsynthese, bei der mRNA während einer kontinuierlich laufenden Transkription immobilisiert und aktiv zur Translation überführt wird. The invention relates to a comparatively easily automatable method for cell-free protein synthesis, in which mRNA is immobilized during a continuously running transcription and actively transferred to translation.
Es wird ein Verfahren zur zellfreien Synthese von Polypeptiden durchgeführt, bei dem die RNA wiederholt während einer kontinuierlichen in vitro RNA Synthese immobilisiert wird, was die Transkription nicht beendet, und diese RNA anschließend wiederholt mit dem Translationsansatz vereinigt und translatiert wird, wobei die Transkription und Translation in getrennten Kompartiment stattfindet. A method is performed for cell-free synthesis of polypeptides in which the RNA is repeatedly immobilized during a continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription, and this RNA is then repeatedly combined with the translation approach and translated, with transcription and translation takes place in separate compartment.
Die vorliegend Erfindung betrifft ein Verfahren zur zellfreien Synthese von Polypeptiden, die folgende Schritte umfasst: The present invention relates to a method for the cell-free synthesis of polypeptides, comprising the following steps:
1 ) Immobilisierung der RNA; 1) immobilization of the RNA;
2) Translation der RNA; Wobei die RNA wiederholt während einer semikontinuierlichen oder kontinuierlichen in vitro RNA Synthese immobilisiert wird, was die Transkription nicht beendet; und diese RNA wiederholt mit dem Translationsansatz vereinigt und translatiert wird. 2) translation of the RNA; The RNA is repeatedly immobilized during a semicontinuous or continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription; and this RNA is repeatedly combined with the translation approach and translated.
Kontinuierliche in vitro RNA-Synthese: RNA wird fortlaufend ohne Unterbrechung im Reaktionsgefäß produziert Continuous in vitro RNA synthesis: RNA is continuously produced in the reaction vessel without interruption
Semikontinuierliche in vitro RNA-Synthese: RNA wird im Reaktionsgefäß produziert, wobei die RNA-Synthese kurzzeitig unterbrochen und wieder fortgesetzt wird. Dies kann z.B. durch regelmäßige Temperaturzyklen zwischen 4°C und 37°C erreicht werden. Semicontinuous in vitro RNA synthesis: RNA is produced in the reaction vessel, whereby the RNA synthesis is briefly interrupted and resumed. This can e.g. be achieved by regular temperature cycles between 4 ° C and 37 ° C.
Eine Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA nach der Immobilisierung zur Translation transferiert wird. One embodiment of the invention is that the RNA is transferred after the immobilization for translation.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass der translationsansatz zur RNA transferiert wird. Another embodiment of the invention is that the translation approach is transferred to the RNA.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass das Verfahren in einer mikrofluidischen Plattform realisiert wird. Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die immobilisierte RNA translatiert wird. Another embodiment of the invention is that the method is realized in a microfluidic platform. Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is translated.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die immobilisierte RNA eluiert wird und anschließend die freie RNA translatiert wird. Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is eluted and then the free RNA is translated.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die immobilisierte RNA temperaturgesteuert oder ionengesteuert oder durch Abspaltung eluiert wird oder anderweitig eluiert wird und anschließend die freie RNA translatiert wird. Another embodiment of the invention is that the immobilized RNA is temperature-controlled or ion-controlled or eluted by elimination or otherwise eluted and then the free RNA is translated.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA kovalent oder nicht kovalent immobilisiert wird. Another embodiment of the invention is that the RNA is covalently or non-covalently immobilized.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA durch einen Abstandhalter (Spacer) von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt wird. Another embodiment of the invention is that the RNA is spatially removed by a spacer from the Immobilisierungsmatrix defined.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA über Oligonukleotide immobilisiert wird und die Oligonukleotide ihrerseits kovalent oder nicht kovalent über eine Biotin-Streptavidin Interaktion immobilisiert sind. Die Oligonukleotide könne durch einen Abstandhalter von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt sein oder direkt an der Matrix immobilisiert werden. Die Immobilisierung erfolgt a) durch zunächst freie Oligonukleotide, die mit der RNA hybridisieren und anschließende Immobilisierung des RNA- Oligonukleotid-Hybrids, oder b) durch immobilisierte Oligonukleotide, die ihrerseits RNA durch Hybridisierung immobilisieren. Another embodiment of the invention is that the RNA is immobilized via oligonucleotides and the oligonucleotides in turn are covalently or non-covalently immobilized via a biotin-streptavidin interaction. The oligonucleotides can be spatially removed from the immobilization matrix by a spacer or immobilized directly on the matrix. The immobilization is carried out a) by initially free oligonucleotides which hybridize with the RNA and subsequent immobilization of the RNA oligonucleotide hybrid, or b) by immobilized oligonucleotides, which in turn immobilize RNA by hybridization.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA über Oligonukleotide immobilisiert wird und die Oligonukleotide ihrerseits kovalent oder nicht kovalent immobilisiert sind. Another embodiment of the invention is that the RNA is immobilized via oligonucleotides and the oligonucleotides in turn are covalently or non-covalently immobilized.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Oligonukleotide über einen Abstandhalter (Spacer) von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt werden. Another embodiment of the invention lies in the fact that the oligonucleotides are spatially removed in a defined manner by a spacer from the immobilization matrix.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA oder Oligonukleotide über Biotin-Streptavidin Interaktion immobilisiert wird. Another embodiment of the invention is that the RNA or oligonucleotides is immobilized via biotin-streptavidin interaction.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass natürliche oder synthetische RNA Template synthetisiert werden. Another embodiment of the invention is that natural or synthetic RNA templates are synthesized.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA von PCR Produkten, Plasmid DNA, genomischer DNA, geklonten DNA Fragmenten, cDNA Bibliotheken, oder synthetischen Oligonukleotiden transkribiert wird. Another embodiment of the invention is that the RNA is transcribed from PCR products, plasmid DNA, genomic DNA, cloned DNA fragments, cDNA libraries, or synthetic oligonucleotides.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass das zellfreie System auf Weizenkeimen, Retikulozyten, Hefe, Insektenzellen, CHO-Zellen, kultivierten Humanen Zellen oder anderen eukaryotischen und prokaryotischen Ursprüngen beruht oder synthetisch ist. Another embodiment of the invention is that the cell-free system is based on wheat germs, reticulocytes, yeast, insect cells, CHO cells, cultured human cells or other eukaryotic and prokaryotic origins or is synthetic.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA an nicht magnetische, magnetische oder magnetisierbare Partikel wie Nano- oder Mikropartikel oder an andere Festphasen wie glatte Oberflächen oder auch Hydrogele oder Säulenmaterial immobilisiert wird. Auch die Wand des Inkubationsgefäßes selbst könnte für die Immobilisierung verwendet werden. Another embodiment of the invention is that the RNA is immobilized on non-magnetic, magnetic or magnetizable particles such as nano- or microparticles or other solid phases such as smooth surfaces or hydrogels or column material. The wall of the incubation vessel itself could also be used for immobilization.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Festphase a) wiederverwendet wird oder b) verworfen wird. Another embodiment of the invention is that the solid phase a) is reused or b) is discarded.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass magnetisierbare Partikel mit immobilisierter mRNA mit Permanentmagneten bewegt und/oder separiert werden. Another embodiment of the invention is that magnetizable particles with immobilized mRNA are moved and / or separated with permanent magnets.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass magnetisiebare Partikel mit immobilisierter mRNA mit Elektromagneten/Spulen bewegt und/oder separiert werden. Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Prozessfluide im System, wie Transkriptionslösung, Translationslösung oder Waschlösung, a) bewegt werden oder b) stationär sind. Another embodiment of the invention is that magnetisiebare particles with immobilized mRNA with electromagnets / coils are moved and / or separated. Another embodiment of the invention is that the process fluids in the system, such as transcription solution, translation solution or washing solution, a) are moved or b) are stationary.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass s i c h zwischen den Prozessfluiden, Trennfluide, wie Luft, Öl oder andere, befinden. Diese Trennfluide können a) permanent da sein oder b) zeitweise entfernt werden. Another embodiment of the invention is that s i c h between the process fluids, separating fluids, such as air, oil or others, are located. These release fluids can a) be permanently there or b) be removed temporarily.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Transkription extra verlangsamt läuft - zum Beispiel durch die Nutzung einer langsameren RNA Polymerase - wodurch sichergestellt ist, dass immer frisch synthetisierte mRNA transferiert wird. Another embodiment of the invention is that the transcription is extra slow - for example, by the use of a slower RNA polymerase - which ensures that always freshly synthesized mRNA is transferred.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die Transkription unterbrochen wird - zum Beispiel durch Abkühlung - wodurch sichergestellt ist, dass immer frisch synthetisierte mRNA transferiert wird. Another embodiment of the invention is that the transcription is interrupted - for example by cooling - thereby ensuring that always freshly synthesized mRNA is transferred.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass die RNA bei geringer/keiner Nuklease- Aktivität (zum Beispiel durch Abkühlen) zwischengelagert wird und dann erst semikontinuierlich oder kontinuierlich zur Translation zugeführt wird. Another embodiment of the invention is that the RNA is intermediately stored at low / no nuclease activity (for example, by cooling) and is then first delivered semicontinuously or continuously for translation.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass kleinere oder größere Partikel mit RNA Immobilisierungsfunktion in einer Säule immobilisiert werden. Another embodiment of the invention is that smaller or larger particles with RNA immobilization function are immobilized in a column.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, dass nicht magnetische, magnetische oder magnetisierbare Partikel wie Nano- oder Mikropartikel oder andere Festphasen wie glatte Oberflächen oder auch Hydrogele für RNA Immobilisierung verwendet werden und die Automatisierung über Pipettierroboter erfolgt. Another embodiment of the invention is that non-magnetic, magnetic or magnetizable particles such as nanoparticles or microparticles or other solid phases such as smooth surfaces or hydrogels for RNA immobilization are used and the automation is done via pipetting robot.
Wichtige Vorteile des Verfahrens bestehen in der Tatsache, Important advantages of the procedure consist in the fact
(i) dass die Transkription nach mRNA Entnahme weiterläuft um mRNA zu synthetisieren. (i) that transcription continues after mRNA removal to synthesize mRNA.
(ii) dass die mRNA kontinuierlich oder semikontinuierlich zur Translation überführt wird und die Geschwindigkeit der Zugabe von mRNA zur Translation variiert werden kann.  (ii) that the mRNA is continuously or semicontinuously translated and that the rate of mRNA addition for translation can be varied.
(iii) dass frisch synthetisierte mRNA immer weiter nachgefüttert werden kann und somit mRNA Verluste durch Nuklease-Degradation ausgleichen kann. (iii) that freshly synthesized mRNA can be fed on and thus compensate for mRNA losses by nuclease degradation.
(iv) dass das Verfahren kompatibel mit den CECF und CFCF Formaten ist. (iv) the method is compatible with the CECF and CFCF formats.
(v) dass das Verfahren vergleichsweise einfach automatisierbar ist. Generell wird frisch synthetisierte mRNA semikontinuierlich oder kontinuierlich von der Transkriptionsreaktion zur Translationsreaktion überführt, ohne dabei die RNA Synthese zu beenden. (v) that the method is relatively easy to automate. In general, freshly synthesized mRNA is transferred semicontinuously or continuously from the transcription reaction to the translation reaction, without terminating the RNA synthesis.
Das Verfahren kann auch für sehr kleine Reaktionsvolumina im Bereich unter 10 μΙ eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die RNA-Immobilisierungsmatrix wiederverwendbar. The method can also be used for very small reaction volumes in the range below 10 μΙ. In addition, the RNA immobilization matrix is reusable.
Ein entsprechender Aufbau der Reaktionsführung in einer Produktionsanlage für Proteine ist einfach erkennbar. An appropriate structure of the reaction in a production plant for proteins is easily recognizable.
Das hier beschriebene Verfahren zur Reaktionsführung für die zellfreie Proteinsynthese ist in allen biochemischen und biotechnologischen Fachrichtungen von Belang, die sich mit rekombinanter Proteinexpression beschäftigen. Besonders im Bereich der Produktion von funktionalen Proteinen mit posttranslationalen Modifikationen und der Expression von Membranproteinen zur Aufklärung von Proteinstrukturen oder für die pharmazeutische Forschung und Proteinproduktion könnte diese Methode von großer Bedeutung sein. Das Verfahren ist automatisierbar und bildet die Grundlage für einen automatisierten Reaktor für die zellfreie Proteinsynthese mit getrennt geregelten und steuerbaren Kompartimenten. Das Verfahren kann in kleinen Systemen in Form von Mikrofluidik Plattformen oder auch im Großmaßstab umgesetzt werden. The method for carrying out the reaction for cell-free protein synthesis described here is relevant in all biochemical and biotechnological disciplines dealing with recombinant protein expression. Especially in the field of production of functional proteins with post-translational modifications and the expression of membrane proteins for the elucidation of protein structures or for pharmaceutical research and protein production, this method could be of great importance. The method is automatable and forms the basis of an automated reactor for cell-free protein synthesis with separately controlled and controllable compartments. The method can be implemented in small systems in the form of microfluidic platforms or even on a large scale.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrifft Vorrichtung zur Another embodiment of the present invention relates to apparatus for
Durchführung, Beobachtung und Kontrolle einer zellfreien Proteinsynthese in einem mikrofluidischen System, bei der RNA synthetisiert, wiederholt immobilisiert und translatiert wird. Execution, observation and control of a cell-free protein synthesis in a microfluidic system, in which RNA is synthesized, repeatedly immobilized and translated.
Die Immobilisierung der RNA erfolgt an Magnetpartikeln und diese werden durch das mikrofluidische System mittels der Vorrichtung bewegt. The immobilization of the RNA takes place on magnetic particles and these are moved by the microfluidic system by means of the device.
Die Vorrichtung umfassend einer Halterung für das mikrofluidische System, welches aus einer Polymerplatte mit strukturierten Kanälen (z.B. durch Fräsen oder Prägen hergestellt) besteht. Die Maße der Mikrofluidik sind vorzugsweise ca. 127 mmx85 mm und eine Dicke von ca. 1 ,5 mm. Ein weiterer Bestandteil der Vorrichtung ist ein 3-achsig verfahrbarer Multifunktionskopf mit Halterungen für einen Permanentmagneten und einer Kamera zur Prozesskontrolle. Weiterhin gehört zu dem System eine elektronisch gesteuerte The device comprising a support for the microfluidic system consisting of a polymer plate having structured channels (e.g., made by milling or stamping). The dimensions of the microfluidics are preferably about 127 mm x 85 mm and a thickness of about 1, 5 mm. Another component of the device is a 3-axis movable multifunction head with holders for a permanent magnet and a camera for process control. Furthermore, the system includes an electronically controlled
Temperaturregeleinheit und Thermoelemente zur Erzeugung verschiedener Temperature control unit and thermocouples for generating various
Temperaturzonen auf dem Mikrofluidiksystem. Schließlich ist die fixierte Mikrofluidik mit einem Pumpensystem zur Flüssigkeitsbewegung verbunden. Der Multifunktionskopf kann beispielsweise durch Stapeln zweier Linieartische und eines pneumatischen Hubzylinders oder durch eine Kombination von Spindelantrieben im 3- dimensionalen Raum positioniert werden. Temperature zones on the microfluidic system. Finally, the fixed microfluidics is connected to a pump system for fluid movement. The multifunctional head can be positioned, for example, by stacking two linear stages and a pneumatic lifting cylinder or by a combination of spindle drives in 3-dimensional space.
Der Permanentmagnet wird an dem Multifunktionskopf befestigt und das Magnetfeld durch einen angebrachten Metallkegel auf einen Mikrofluidikkanal fokussiert. Wird der Metallkegel mit dem fokussierten Magnetfeld an einen Kanal geführt, welcher in Flüssigkeit gelöste Magnetpartikel enthält, dann sammeln sich die Partikel im Bereich dieses Feldes. Wird der Metallzylinder nun durch Bewegung des Multifunktionskopfes entlang eines The permanent magnet is attached to the multifunction head and the magnetic field is focused by an attached metal cone onto a microfluidic channel. If the metal cone is guided with the focused magnetic field to a channel containing magnetic particles dissolved in liquid, then the particles collect in the area of this field. Is the metal cylinder now by moving the multifunctional head along a
flüssigkeitsgefüllten Fluidikkanals bewegt, dann folgen die Partikel dieser Bewegung. moved fluid-filled fluidic channel, then follow the particles of this movement.
Am Multifunktionskopf ist eine Kamera angebracht, welche die Bewegung der Partikel verfolgt. The multifunctional head is equipped with a camera which tracks the movement of the particles.
Notwendige Pumpschritte werden durch ein Spritzenpumpenarray aus z.B. 8 unabhängig steuerbaren Spritzenpumpen gesteuert. Necessary pumping steps are accomplished by a syringe pumping array of e.g. 8 independently controllable syringe pumps controlled.
Eine Software steuert die Bewegung der Spritzenpumpen, des 3-Achs-Systems sowie die Temperaturregelung. Software controls the movement of the syringe pumps, the 3-axis system and the temperature control.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine mikrofluidische TRITT One embodiment of the present invention provides a microfluidic TRITT
("Transkription -RNA Immobilisierung & Transfer - Translation) Plattform dar. In den voneinander getrennten Kompartimenten/Bereichen für die Transkription und Translation können unterschiedliche biochemische Bedingungen eingestellt und somit die jeweiligen Reaktionen unabhängig voneinander optimiert werden sowie die kontinuierliche Synthese der Biomoleküle gewährleistet werden. In the separate compartments / areas for the transcription and translation different biochemical conditions can be adjusted and thus the respective reactions independently optimized as well as the continuous synthesis of the biomolecules can be guaranteed.
Beispielhafte Modifikationen der Reaktiosnbedinqunqen: Exemplary modifications of the Reaktiosnbedinqunqen:
Spezifische RNA-Vorlagen wurden mit 5' und 3' Haarnadel-Strukturen gegen den Abbau durch Nukleasen stabilisiert, über Oligonukleotide während der in-vitro-Transkription immobilisiert und anschließend an magnetische Partikel gekoppelt. Des Weiteren wurde der mRNA Transfer auf dem Chip durch magnetische Teilchen durchgeführt, Die TRITT Specific RNA templates were stabilized with 5 'and 3' hairpin structures against degradation by nucleases, immobilized via oligonucleotides during in vitro transcription, and then coupled to magnetic particles. Furthermore, on-chip mRNA transfer was performed by magnetic particles, which are TRITTED
Plattform wurde für die Produktion des zytotoxischen Proteins Pierisin verwendet. Hierbei wurde gleichzeitig die nicht-kanonische Aminosäure zur Fluoreszenzmarkierung eingebaut. Das erfindungsgemäße System vermeidet den Abbau der mRNA, da diese kontinuierlich in den Translationsbereich transportiert wird. Bei der TRITT-Plattform handelt es sich um einen modularen Mikroreaktor, welcher an unterschiedliche Reaktionsbedingungen angepasst werden kann. Optimierungen der Reaktionsbedingungen sind aufgrund der separaten Reaktionsbereiche/-kompartimente einfach vorzunehmen. Platform was used for the production of the cytotoxic protein pierisin. At the same time, the non-canonical amino acid was incorporated for fluorescence labeling. The system according to the invention avoids the degradation of the mRNA, since these are continuously in the translation area is transported. The TRITT platform is a modular microreactor that can be adapted to different reaction conditions. Optimizations of the reaction conditions are easy to make due to the separate reaction areas / compartments.
Beschreibung der Figuren Description of the figures
Abbildung 1 illustration 1
Die dargestellte mikrofluidische TRITT-Plattform ist für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. TRITT steht für "Transkription -RNA Immobilisierung & Transfer - Translation". The illustrated microfluidic TRITT platform is suitable for carrying out the method according to the invention. TRITT stands for "Transcription-RNA Immobilization & Transfer - Translation".
Transkribierte RNA wird automatisch vom Transkriptionsbereich in den Transkriptionsbereich der Vorrichtung verbracht. Automatische Waschschritte sind integriert. Die verschiedenen Bereiche können parallel genutzt werden. Das TRITT-Konzept sollte mit allen oben beschriebenen Reaktion-Formaten kompatibel. Transcribed RNA is automatically transferred from the transcription area to the transcription area of the device. Automatic washing steps are integrated. The different areas can be used in parallel. The TRITT concept should be compatible with all reaction formats described above.
Abbildung 2 Figure 2
Magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel wurden mit biotinylierten Oligonukleotiden (Hyb3A-15T), die komplementär zum konstanten Teil der mRNA (N0-eYFP-C0) sind, funktionalisiert. eYFP-kodierende mRNA wurde von einem PCR Template transkribiert. Während der kontinuierlich laufenden Transkription wurde mRNA wiederholt an die funktionalisierten Partikel immobilisiert. Dabei wurden immer wieder neue Partikel verwendet, oder die Partikel nach der Elution der mRNA wiederverwendet. In beiden Fällen wurde für gleiche Zeiten die gleiche Menge an mRNA immobilisiert. Durch Verlängerung der Inkubationszeit von 30 min auf 45 min, konnte mehr mRNA immobilisiert werden. Die Menge an immobilisierter mRNA kann durch Inkubationszeit und Partikelmenge eingestellt werden. Die Transkription wird durch die Immobilisierung der mRNA nicht gestört. Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides (Hyb3A-15T) that are complementary to the constant part of the mRNA (N 0 -eYFP-C 0 ). eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template. During continuous transcription mRNA was repeatedly immobilized on the functionalized particles. Again and again, new particles were used, or the particles were reused after elution of the mRNA. In both cases the same amount of mRNA was immobilized for equal times. By extending the incubation time from 30 min to 45 min, more mRNA could be immobilized. The amount of immobilized mRNA can be adjusted by incubation time and particle amount. Transcription is not disturbed by the immobilization of the mRNA.
Abbildung 3 Figure 3
Magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel (C1 Beads) wurden mit biotinylierten Oligonukleotiden (Hyb5A-15T oder Hyb3B), die komplementär zum konstanten Teil der mRNA sind, funktionalisiert. eYFP-kodierende mRNA wurde von einem PCR Template (N0- eYFP-Co) transkribiert. Die mRNA wurde an die funktionalisierten Partikel immobilisiert. Magnetizable streptavidin-loaded particles (C1 beads) were functionalized with biotinylated oligonucleotides (Hyb5A-15T or Hyb3B) that are complementary to the constant part of the mRNA. eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template (N 0 - eYFP-Co). The mRNA was immobilized on the functionalized particles.
Einerseits wurde die mRNA wieder von den Partikeln eluiert und zur Translation gegeben. Dabei wurden Fluoreszenz Intensitäten des synthetisierten eYFP nachgewiesen, die im Bereich der Referenz Translation mit herkömmlich mittels Gelfiltration aufgereinigter mRNA liegen. Die Translation mit der zuvor immobilisierten und wieder eluierten mRNA ist folglich ohne Inhibierung der Reaktion möglich. On the one hand, the mRNA was again eluted from the particles and placed for translation. Fluorescence intensities of the synthesized eYFP were detected, which are in the range of reference translation with conventionally purified by gel filtration mRNA lie. The translation with the previously immobilized and re-eluted mRNA is thus possible without inhibiting the reaction.
Andererseits wurde die immobilisierte mRNA direkt zur Translation gegeben. Als Referenz hierfür wurde die Translation freier mRNA, die herkömmlich mittels Gelfiltration aufgereinigt wurde, in Anwesenheit der unfunktionalisierten Partikel durchgeführt. Die Translation wird dabei inhibiert. Die Translation von immobilisierter mRNA an diesen Partikeln führt zu ähnlichen Fluoreszenz-Intensitäten wie die Referenz-Translation freier mRNA in Anwesenheit unfunktionalisierter Partikel. Die Translation wird durch immobilisierte mRNA nicht oder kaum zusätzlich inhibiert. Mit einer alternativen Festphase zur mRNA- Immobilisierung, die die Translation nicht inhibiert, sollte also eine effektive Translation möglich sein. On the other hand, the immobilized mRNA was directly translated. As a reference, the translation of free mRNA, which was conventionally purified by gel filtration, was carried out in the presence of the unfunctionalized particles. The translation is inhibited. The translation of immobilized mRNA on these particles leads to similar fluorescence intensities as the reference translation of free mRNA in the presence of unfunctionalized particles. The translation is not or hardly additionally inhibited by immobilized mRNA. Thus, with an alternative solid phase for mRNA immobilization that does not inhibit translation, effective translation should be possible.
Abbildung 4 Figure 4
Magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel wurden mit biotinylierten Oligonukleotiden, die komplementär zum konstanten Teil der mRNA sind, funktionalisiert. mRNA wurde von linearen PCR Templaten und von zirkulären Expressionsvektoren sowie von linearisierten Expressionsvektoren transkribiert. Des Weiteren wurde eYFP und Luciferase codierende mRNA synthetisiert. In jedem Fall konnte die gleiche Menge an mRNA immobilisiert werden. Zur Quantifizierung wurde einerseits die mRNA Menge vor und nach dem Immobilisierungs- prozess verglichen und andererseits die immobilisierte mRNA nach einem Waschvorgang wieder eluiert. Beide Methoden führten zu dem gleichen Ergebnis. Magnetizable streptavidin-loaded particles were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA. mRNA was transcribed from linear PCR templates and from circular expression vectors as well as linearized expression vectors. Furthermore, mRNA encoding eYFP and luciferase was synthesized. In each case, the same amount of mRNA could be immobilized. For quantification, on the one hand, the amount of mRNA was compared before and after the immobilization process and, on the other hand, the immobilized mRNA was eluted again after a washing process. Both methods led to the same result.
Abbildung 5 Figure 5
Magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel (C1 Beads) wurden mit biotinylierten Oligonukleotiden, die komplementär zum konstanten Teil der mRNA sind, funktionalisiert. eYFP-kodierende mRNA wurde von einem PCR Template transkribiert. Die mRNA wurde an die funktionalisierten Partikel immobilisiert. Die mRNA beladenen Partikel wurden einerseits in einem Reaktionsgefäß gewaschen und eluiert. Parallel hierzu wurden die mRNA- beladenen Partikel in einem speziell dafür entworfenen mikrofluidischen System mit magnetisch aktuiertem Partikeltransfer gewaschen und eluiert. Auf beide Weisen wurde die gleiche Menge an mRNA eluiert. Dies zeigt die Automatisierbarkeit des Wasch- und Elutionsschrittes in einem mikrofludischen System. Abbildung 6 Magnetizable streptavidin-loaded particles (C1 beads) were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA. eYFP-encoding mRNA was transcribed from a PCR template. The mRNA was immobilized on the functionalized particles. The mRNA-loaded particles were washed on the one hand in a reaction vessel and eluted. In parallel, the mRNA-loaded particles were washed and eluted in a specially designed microfluidic system with magnetically-activated particle transfer. In both ways, the same amount of mRNA was eluted. This demonstrates the automatability of the washing and elution step in a micro-fluidic system. Figure 6
Magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel (C1 Beads) wurden mit biotinylierten Oligonukleotiden, die komplementär zum konstanten Teil der mRNA sind, funktionalisiert. Die Transkription der eYFP-kodierenden mRNA wurde von einem PCR Templat durchgeführt, Die Immobilisierung dieser mRNA an magnetisierbare Partikel, die magnetisch aktuierte Separation der Partikel, der Waschvorgang und die Elution der immobilisierten mRNA wurden in einem Reaktionsgefäß und parallel dazu in einem speziell dafür entworfenen mikrofiuidischen System durchgeführt. Auf beide Weisen konnte die gleiche Menge an mRNA immobilisiert, transportiert und eluiert werden. Die zeigt die Automatisierbarkeit des gesamten Prozesses in einem mikrofiuidischen System. Magnetizable streptavidin-loaded particles (C1 beads) were functionalized with biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA. The transcription of the eYFP-encoding mRNA was carried out by a PCR template, The immobilization of this mRNA to magnetizable particles, the magnetically actuated separation of the particles, the washing process and the elution of the immobilized mRNA were in a reaction vessel and parallel in a specially designed microfluidic System performed. In both ways, the same amount of mRNA could be immobilized, transported and eluted. This shows the automation of the entire process in a microfluidic system.
Abbildung 7 Figure 7
Aufbau des Mikrofluidiksystems TRITT für die zellfreie Proteinsynthese (CFPS). (A) Explosionszeichnung des Chipaufbaus. Ein COC-Substrat (Cyclic Olefin Copolymer Substrat) mit mikrofiuidischen Strukturen wurde dauerhaft mit einer Abdeckplatte durch thermisches Bonden verbunden. Mit einem Wärmespreizer und dem mikrofiuidischen Chip verbundene Temperatursensoren und thermische Aktoren steuern die Prozesstemperaturen. Eine bewegliche magnetisch arbeitende Einrichtung transferiert magnetisiebare Partikel und bindet die mRNA in den mikrofiuidischen Strukturen. (B) Draufsicht auf die mikrofluidische Struktur. Das Transkription (TK) Fach bzw. der TK Raum ist in drei Kammern unterteilt, die zur schrittweisen Immobilisierung der synthetisierten mRNA zu funktionalisierten magnetisierbaren Partikel dienen. Nachfolgend zum Transfer der mit mRNA beladenen Partikel wurden die Partikel zur vollständigen Entfernung der TK-Mischung gewaschen und die mRNA wurde durch Temperatur sowie Niedrig-Salz-Elution entfernt. Die mRNA enthaltene Lösung wurde Bewegungsmischung gerührt, wobei die mRNA als Vorlage zur Proteinsynthese dient. Die Partikel zur Immobilisierung wiederverwendet. (C) Ein integrierter Heizwiderstand und Temperatursensor zur Temperaturregelung. Eine Leiterplatte (Printed Circuit Board - PCB) mit einem Heizwiderstand und einem Temperatursensor sind mit einem Wärmespreizer verbunden bzw. auf diesen montiert und mit dem Fach des Mikrofluidiksystems über Wärmeleitpaste verbunden. (D) Foto des Mikrofluidiksystems. Der TRITT-Chip ist auf einem Apparat zur magnetischen Bewegung (motorisierter x-y(-)- Kreuztisch) platziert. Magnetisierbare Partikel in der mikrofiuidischen Struktur folgen dem magnetischen Feld. Abbildung 8 Construction of the microfluidic system TRITT for cell-free protein synthesis (CFPS). (A) Exploded drawing of the chip structure. A COC substrate (Cyclic Olefin Copolymer Substrate) with microfluidic structures has been permanently bonded to a cover plate by thermal bonding. Temperature sensors and thermal actuators connected to a heat spreader and the microfluidic chip control the process temperatures. A mobile magnetic device transfers magnetizable particles and binds the mRNA in the microfluidic structures. (B) Top view of the microfluidic structure. The transcription (TK) compartment or the TK space is divided into three chambers, which serve for the stepwise immobilization of the synthesized mRNA to functionalized magnetizable particles. Following transfer of the mRNA loaded particles, the particles were washed to completely remove the TK mixture and the mRNA was removed by temperature as well as low salt elution. The solution containing mRNA was stirred in agitation mixture, with the mRNA serving as a template for protein synthesis. The particles reused for immobilization. (C) An integrated heating resistor and temperature sensor for temperature control. A printed circuit board (PCB) with a heating resistor and a temperature sensor are connected to or mounted on a heat spreader and connected to the compartment of the microfluidic system via thermal grease. (D) Photo of the microfluidic system. The TRITT chip is placed on a magnetic movement machine (xy (-) mechanical stage). Magnetizable particles in the microfluidic structure follow the magnetic field. Figure 8
Diese Abbildung stellt verschiedene Ausführungsformen der Erfindung diagrammisch bzw. schematisch dar. Die Transkription 4 erfolgt an einer Festphase 6 in einem Transkriptionskompartiment 1. Die Translation 5, bei der Polypeptide 7 hergestellt werden erfolgt im Translationskompartiment 2 (Abb. 8A). Transcription 4 is carried out on a solid phase 6 in a transcriptional compartment 1. Translation 5, in which polypeptides 7 are produced, takes place in translation compartment 2 (FIG. 8A).
. Abb. 8C stellt die Durchführung des erfinderischen Verfahrens in Reaktionsgefäßen (Reaktionsgefäß eins 8, Reaktionsgefäß zwei 9) dar, bei dem der Translationsansatz zur RNA transferiert wird. Abb. 8D zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die immobilisierte RNA eluiert wird und anschließend die freie RNA translatiert wird. Die immobilisierte RNA wird dabei temperaturgesteuert oder ionengesteuert oder durch Abspaltung oder anderweitig eluiert und anschließend wird die freie RNA translatiert. Abb. 8E zeigt schematisch eine Ausführungsvariante des erfinderischen Verfahrens, bei der immobilisierte RNA translatiert wird. , FIG. 8C shows the implementation of the inventive method in reaction vessels (reaction vessel one 8, reaction vessel two 9), in which the translation batch is transferred to the RNA. Fig. 8D shows an embodiment of the invention in which the immobilized RNA is eluted and then the free RNA is translated. The immobilized RNA is temperature-controlled or ion-controlled or eluted by cleavage or otherwise, and then the free RNA is translated. FIG. 8E schematically shows an embodiment variant of the inventive method in which immobilized RNA is translated.
Abbildung 9 Figure 9
In Abbildung 9. sind verschiedene Immobilsierungsmöglichkeiten von RNA zur Verwendung im erfinderischen Verfahren dargestellt. Die an eine Festphase 6 gebundene RNA 3 kann durch kovalente oder nicht kovalente Bindungen immobilisiert werden 12 (Abb. 9A). Abb. 98 stellt eine Ausführungsform dar, bei der die RNA durch einen Spacer 10 von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt wird. In der in Abb. 9C dargestellten Ausführungsform wird die RNA über Oligonukleotide 1 1 immobilisiert, wobei die Oligonukleotide ihrerseits kovalent oder nicht kovalent immobilisiert sind. In Abb. 9D ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Oligonukleotide über einen Spacer von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt werden. Abb. 9E zeigt eine Aufführungsform, bei der RNA oder Oligonukleotide über Biotin-Streptavidin Interaktion 13 immobilisiert wird. Ausführunqsbeispiel Figure 9 shows various immobilization possibilities of RNA for use in the inventive method. The RNA 3 bound to a solid phase 6 can be immobilized by covalent or noncovalent bonds 12 (FIG. 9A). Fig. 98 illustrates an embodiment in which the RNA is spatially removed by a spacer 10 defined by the immobilization matrix. In the embodiment shown in FIG. 9C, the RNA is immobilized via oligonucleotides 11, wherein the oligonucleotides themselves are covalently or non-covalently immobilized. FIG. 9D shows an embodiment in which the oligonucleotides are spatially removed in a defined manner from the immobilization matrix via a spacer. Fig. 9E shows a performance form in which RNA or oligonucleotides are immobilized via biotin-streptavidin interaction. Working Example
1 ) In vitro zellfreien Synthese von Polypeptiden eYFP- oder Pierisin-kodierende mRNA wurde mithilfe der T7 Polymerase bei 37C° kontinuierlich von einem PCR Template, einem Plasmid oder einem linearisierten Plasmid transkribiert (300ng^L DNA im Transkriptionsansatz). Die Transkriptionszeit betrug zwischen 30min und 20 Stunden. 1) In Vitro Cell-Free Synthesis of Polypeptides eYFP- or pierisin-encoding mRNA was transcribed continuously from a PCR template, a plasmid, or a linearized plasmid using T7 polymerase at 37 ° C (300 μg DNA in the transcriptional assay). The transcription time was between 30 minutes and 20 hours.
Die transkribierte mRNA wurde während der Transkription mithilfe von biotinylierten Oligonukleotiden, die komplementär zum konstanten Teil der mRNA sind, immobilisiert, wobei die Oligonukleotide ihrerseits an magnetisierbare Streptavidin-beladene Partikel (z.B. streptavidin coated superparamagnetic Dynabeads der Firmalnvitrogen) gebunden sind und wobei kein Spacer oder ein Oligo(dT)15 Spacer verwendet wurde, um die Oligonukleotide definiert räumlich von der Immobilisierungsmatrix zu entfernen. The transcribed mRNA was immobilized during transcription by using biotinylated oligonucleotides that are complementary to the constant part of the mRNA, the oligonucleotides in turn bound to magnetizable streptavidin-loaded particles (eg streptavidin coated superparamagnetic dynabeads of the firmnavitrogen) and where no spacer or a Oligo (dT) 15 spacer was used to spatially remove the oligonucleotides from the immobilization matrix.
Die mRNA beladenen Partikel wurden nach 10-30 min (abhängig von der RNA Konzentration in der Transkription, die über die Zeit steigt) aus der Transkription entfernt, bei Raumtemperatur (RT) mit 5-30 μΙ_ mM HEPES-Puffer mit 0.5-2.5mM Mg2+ (MgCI2 oder CH3COO)2Mg) und/oder 50-1 OOmM KCl bei 2-3maliger Wiederholung des Waschvorgangs gewachen und die RNA wurde bei 25°C-70°C mit 0.5-2μΙ_ Wasser, reinem 30 mM HEPES- Puffer oder 30 mM HEPES-Puffer mit MgCI2 oder CH3COO)2Mg oder KCl von den Partikeln eluiert. Das freie mRNA enthaltende Eluat wurde nach Abkühlung auf 27°C dem Translationsmix zugeführt und die freie RNA wurde translatiert. Dieser Prozess wurde mehrmals wiederholt um semikontinuierlich RNA zur Translation zuzuführen. The mRNA-loaded particles were removed from transcription after 10-30 min (depending on the RNA concentration in the transcription, which increases over time) at room temperature (RT) with 5-30 μM mM HEPES buffer at 0.5-2.5 mM Mg 2+ (MgCl 2 or CH 3 COO) 2 mg) and / or 50-100 mM KCl with 2-3 repetitions of the washing process and the RNA was washed at 25 ° C-70 ° C with 0.5-2μΙ_ water, pure 30 mM HEPES buffer or 30 mM HEPES buffer with MgCl 2 or CH 3 COO) 2 Mg or KCl eluted from the particles. The free mRNA-containing eluate was supplied to the translational mix after cooling to 27 ° C and the free RNA was translated. This process was repeated several times to deliver semicontinuously RNA for translation.
Die Translation fand in einem Volumen von 20-50 μΙ_ bei 27°C in Sf21 Insektenzelllysat System statt. Die Translation kann je nach System 90 min bis mindestens 24 Stunden laufen. The translation took place in a volume of 20-50 μΙ_ at 27 ° C in Sf21 insect cell lysate system. Depending on the system, translation can take 90 minutes to at least 24 hours.
Die Anzahl der Wiederholungen für die Immobilisierung und dem Transfer der RNA von der Transkription zur Translation ist abhängig vom Translationsvolumen (je mehr Translationsvolumen, desto mehr RNA und damit Wiederholungen werden benötigt) sowie der Partikelmenge (je mehr Partikel, desto weniger Wiederholungen). Für die initiale Bereitstellungen von RNA für 20 μΙ_ Translationsvolumen unter Verwendung von ca. 0,2 mg Beads werden beispielsweise 6 Wiederholungen benötigt. Anschließend muss nur noch degradierte RNA nachgeführt werden, was beispielsweise alle 60-120 min durchgeführt werden kann. Die Partikel wurden wiederverwendet oder verworfen. The number of repetitions for the immobilization and the transfer of the RNA from the transcription to the translation depends on the translation volume (the more translational volume, the more RNA and thus repetitions are needed) and the amount of particles (the more particles, the fewer repetitions). For the initial deployments of RNA for 20 μΙ translational volume using about 0.2 mg beads, for example, 6 repeats are needed. Subsequently, only degraded RNA must be tracked, which can be carried out for example every 60-120 min. The particles were reused or discarded.
Für die Partikelseparation aus der Transkription, den Transfer der Partikel, den Wasch- und Elutionsschritt sowie die Temperierung der einzelnen Reaktionsschritte (Transkription, Elution, Translation) wurde ein mikrofluidisches System verwendet. Das mikrofluidische System bestand aus dem Material Cyclo-Olefin-Copolymer (COC) und hatte die in etwa die Maße einer Mikrotiterplatte (127 mmx85 mm) und eine Dicke von ca. 1 ,5 mm. Die mikrofluidischen Strukturen hatten eine Tiefe von 0,3-1 mm und die Kanäle eine Breite von 0,3-1 mm und wurden durch Fräsen oder Spritzguss hergestellt. Für die Abdichtung der Kanäle mit COC-Folie (z.B. 135 μηη) wurde ein thermischer oder ein klebstoffbasierter Fügeprozsess verwendet. Es wurden drei Kammern mit Volumina von 10-30 μΙ_ z.B. 12,5 μΙ_ je Kammer als Reaktionsgefäße bei 37°C für die Transkription verwendet. In diesen Kammern fand auch die Immobilisierung der RNA an die funktionalisierten magnetisierbaren Partikel statt. Die Partikel wurden anschließend mittels eines NdFeB Permanentmagneten (1 cm x 1 cm x 1 cm; Br = 13000 Gauss) und eines angepassten Stahlkegels (z.B. 1 cm Höhe, bei 1 cm Basisdurchmesser) durch die mikrofluidischen Strukturen transportiert, in einer 2-10 μΙ_ Kammer bei Raumtemperatur gewaschen (30-100 μΙ_ Waschpuffer) und anschließend bei 25°C bis 80°C eluiert (Elution: ablösen der RNA von den Partikeln in ein kleines Puffervolumen - 0.5-5 μΙ_). Dieser Tropfen mit gelöster RNA kann fluidisch zum Translationssystem (das z.B. bei 27°C betrieben wird) transportiert werden. Die verschiedenen Temperaturzonen auf dem Mikrofluidikchip wurden durch elektronische Heizelemente und mittels Feedbackkontrolle über einen Temperaturfühler eingestellt. Die Prozessfluide (Transkriptions-/Translationslösungen, Wasch-/Elutionslösungen) wurden im mikrofluischen System bewegt, aber jederzeit durch das Trennfluid Luft voneinander getrennt. For the particle separation from the transcription, the transfer of the particles, the washing and elution step as well as the tempering of the individual reaction steps (transcription, elution, translation) a microfluidic system was used. The microfluidic system consisted of the material cyclo-olefin copolymer (COC) and had approximately the dimensions of a microtiter plate (127 mm x 85 mm) and a thickness of about 1, 5 mm. The microfluidic structures had a depth of 0.3-1 mm and the channels a width of 0.3-1 mm and were made by milling or injection molding. For sealing the channels with COC film (e.g., 135 μηη), a thermal or adhesive-based joining process was used. Three chambers with volumes of 10-30 μΙ_, e.g. 12.5 μΙ_ per chamber used as reaction vessels at 37 ° C for transcription. In these chambers also the immobilization of the RNA to the functionalized magnetisable particles took place. The particles were then transported through the microfluidic structures by means of a NdFeB permanent magnet (1 cm x 1 cm x 1 cm, Br = 13000 Gauss) and a matched steel cone (eg 1 cm height, at 1 cm base diameter), in a 2-10 μΙ_ Washed at room temperature (30-100 μΙ_ wash buffer) and then eluted at 25 ° C to 80 ° C (elution: detach the RNA from the particles in a small buffer volume - 0.5-5 μΙ_). This droplet of dissolved RNA can be fluidly transported to the translation system (operated, for example, at 27 ° C). The various temperature zones on the microfluidic chip were adjusted by electronic heating elements and by feedback control via a temperature sensor. The process fluids (transcription / translation solutions, washing / elution solutions) were moved in the microfluidic system, but at any time separated from one another by the separating fluid air.
2) Design des Mikrofluidiksystems, Mikrofluidicaufbaus, Mikrofluidikchips und dessen Herstellung 2) Design of the microfluidic system, microfluidic assembly, microfluidic chips and its manufacture
Fig. 7 gibt einen Überblick zum Mikrofluidiksystem zur zellfreien Proteinsynthese. Die Mikrofluidikstruktur (Fig. 2 A B) wurde durch Mikro-Fräsen in ein 1 ,55 mm hohes amorphes thermoplastisches COC-Substrat (Cyclic Olefin Copolymer COC (TOPAS 6013-S04)) eingebracht. Zugangsbohrungen erlauben den Anschluss an einen Flüssigkeitsstrom. Um eine flüssigkeitsdichtes Mikrofluidiksystem mit homogenen Oberflächeneigenschaften zu erhalten, wurde das strukturierte Substrat mit den rechteckigen Kanälen (500 μηη breit und tief), den Reaktionskammern (Höhe 500 μηη) und Zugangsbohrungen durch thermischen Bonden dauerhaft mit einer 135 μηι dicken COC Folie (TOPAS 6013) als Abdeckplatte (Fig. 7 A) verbunden. Stahlkanülen wurden in die Zugangsbohrungen geklebt und Silikonschläuche zur Verbindung des Flüssigkeitsstromes über die Kanülen gestülpt. Die Flüssigkeitsbewegung wurde letztendlich durch von Spritzenpumpen verursachte Druckunterschiede erreicht. Andere Zugangsbohrungen dienten als Einfüllöffnungen für Pipettenspitzen. Die mikro-gefrästen COC-Wände wurden durch eine niedrig-viskose Lösung mit Fluoro-Acrylate-Polymer, gelöst in dem organischen Lösungsmittel Hydrofluoroether (Certonal FC-742, Nordson Deutschland GmbH), modofiziert. Das Spülen mit gelöstem Fluoro-Acrylate-Polymer führt zur Ablagerung eines trockenen, oleophobischen und hydrophobischen Films, der durch intermolekulare Interaktion mit den Wänden des Mikrofluidiksystems haften und Oberflächeneigenschaften wie Rauhigkeit, Oberflächenspannung und Oberflächenladung modifiziert. Die Prozesstemperaturen wurden kontrolliert durch den integrierte Temperatursensoren und thermischen Aktoren, wie Heizkissen und Heizwiderstände, die auf einen Wärmespreizer aus Aluminium montiert sind (Fig. 7 A/C). Drei Temperaturzonen wurden auf dem Chip realisiert: 37°C für die Transkritionskammern/-fächer, 70°C für die Elutionskammer/das Elutionsfach und 27°Cfür die Translationskammer/das Translationsfach Die Homogenität der Erwärmuung der Oberfläche wurde durch IR-Thermografie (IR-Cam SC6000) verifiziert. Lüftungsschlitze wurden rund um die Elutionskammer eingebracht, die thermische Isolation der verschiedenen Temperaturzonen sicherzustellen. Zur Manipulation der RNA transferierenden magnetisierbaren Partikel in dem Mikrofluidiksystem wurde ein Permanentmagnet mit einem kegelförmigen Aufsatz (Fig. 7 A) mechanisch durch einen motorisierten x-y(-z)-Tisch bewegt. Die kegelförmige Aufsatz war notwendig, um das magnetische Feld eines 10 mm3 kubischen NdFeB-Permanentmagneten zu fokussieren. Um die Geometrie des Aufsatzes zu optimieren, wurde die magnetischen Felddichte um den Aufbau aus Magneten und Aufsatz mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) mit der Software ANSYS (version 14.5) berechnet. Referenzen 7 gives an overview of the microfluidic system for cell-free protein synthesis. The microfluidic structure (Figure 2 AB) was micromilled into a 1.55 mm amorphous thermoplastic COC substrate (Cyclic Olefin Copolymer COC (TOPAS 6013-S04)). Access holes allow connection to a liquid flow. Around To obtain a liquid-tight microfluidic system with homogeneous surface properties, the structured substrate with the rectangular channels (500 μηη wide and deep), the reaction chambers (height 500 μηη) and access holes by thermal bonding permanently with a 135 μηι thick COC film (TOPAS 6013) than Cover plate (Fig. 7 A) connected. Steel cannulas were stuck in the access holes and silicone tubing was slipped over the cannulas to connect the fluid flow. The fluid movement was ultimately achieved by pressure differences caused by syringe pumps. Other access holes served as fill openings for pipette tips. The micro-milled COC walls were modified by a low-viscous solution of fluoro-acrylate polymer dissolved in the organic solvent hydrofluoroether (Certonal FC-742, Nordson Deutschland GmbH). Flushing with dissolved fluoro-acrylate polymer results in the deposition of a dry, oleophobic and hydrophobic film which adhere through intermolecular interaction with the walls of the microfluidic system and modify surface properties such as roughness, surface tension and surface charge. The process temperatures were controlled by the integrated temperature sensors and thermal actuators, such as heating pads and heating resistors, mounted on an aluminum heat spreader (Figure 7 A / C). Three temperature zones were realized on the chip: 37 ° C for the transition chambers / compartments, 70 ° C for the elution chamber / elution compartment, and 27 ° C for the translation chamber / translation compartment. Homogeneity of the surface heating was determined by IR thermography (IR). Cam SC6000) verified. Air vents were placed around the elution chamber to ensure thermal isolation of the various temperature zones. To manipulate the RNA-transferring magnetisable particles in the microfluidic system, a permanent magnet with a tapered attachment (Figure 7A) was mechanically moved through a motorized xy (-z) stage. The cone-shaped attachment was necessary to focus the magnetic field of a 10 mm 3 cubic NdFeB permanent magnet. In order to optimize the geometry of the attachment, the magnetic field density around the magnet and attachment assembly was calculated using the Finite Element Method (FEM) with the ANSYS software (version 14.5). references
[1] M. G. Casteleijn, A. Urtt und S. Sarkhel,„Expression without boundaries: Cell-free protein synthesis in pharmaceutical research," International Journal of Pharmaceutics, Bd. 440, Nr. 1 , p. 39-47, 2013. [1] M.G. Casteleijn, A. Urtt, and S. Sarkhel, "Expression without boundaries: Cell-free protein synthesis in pharmaceutical research," International Journal of Pharmaceutics, Vol. 440, No. 1, pp. 39-47, 2013.
[2] F. Katzen, G. Chang und W. Kudlicki,„The past, present and future of cell-free protein synthesis," Trends in Biotechnology, Bd. 23, Nr. 3, pp. 150-156, 2005.  [2] F. Katzen, G. Chang and W. Kudlicki, "The past, present and future of cell-free protein synthesis," Trends in Biotechnology, Vol. 23, No. 3, pp. 150-156, 2005.
[3] E. D. Carlson, R. wie oben beschrieben wie oben beschrieben Gan, C. E. Hodgman und M. C. Je,„Cell-free protein synthesis: Applications come of age," Biotechnology Advances, Bd. 30, Nr. 5, pp. 1 185-1 194, 2012. [3] ED Carlson, R. as described above, as described above, Gan, CE Hodgman, and MC Je, "Cell-free protein synthesis: applications come of age," Biotechnology Advances, Vol. 30, No. 5, pp. 1 185 -1 194, 2012.
[4] C. J. Noren, S. J. Anthony-Cahill, M. C. Griffith und P. G. Schultz,„A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins," Science, Bd. 244, Nr. 4901 , p. 182-188, 1989.  [4] CJ Noren, SJ Anthony-Cahill, MC Griffith, and PG Schultz, "A general method for site-specific incorporation of unnatural amino acids into proteins," Science, Vol. 244, No. 4901, pp. 182-188, 1989th
[5] I. Hirao, T. Ohtsuki, T. Fujiwara, T wie oben beschrieben. Mitsui, T. Yokogawa, T. Okuni, H. Nakayama, K. Takio, T. Yabuki, T. Kigawa, K. Kodama, T. Yokogawa, K.  [5] I. Hirao, T. Ohtsuki, T. Fujiwara, T as described above. Mitsui, T. Yokogawa, T. Okuni, H. Nakayama, K. Takio, T. Yabuki, T. Kigawa, K. Kodama, T. Yokogawa, K.
Nishikawa und S. Yokoyama,„An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins," Nat Biotech, Bd. 20, Nr. 2, p. 177-182, 2002. Nishikawa and S. Yokoyama, "An unnatural base pair for incorporating amino acid analogs into proteins," Nat Biotech, Vol. 20, No. 2, pp. 177-182, 2002.
[6] A. S. Spirin, V. I. Baranov, La Ryabova, S. Y. Ovodov und Y. B. Alakhov,„A continous cell-free transltion system capable of producing Polypeptides in high yield," Science, Bd. 242, Nr. 4882, pp. 1 162-1 164, 1988. [6] AS Spirin, VI Baranov, La Ryabova, SY Ovodov, and YB Alakhov, "A continuous cell-free translation system capable of producing polypeptides in high yield," Science, Vol. 242, Item 4882, pp. 1 164, 1988.
[7] D.-M. Kim und C.-Y. Choi,„A Semicontinuous Prokaryotic Coupled  [7] D.-M. Kim and C.-Y. Choi, "A Semicontinuous Prokaryotic Coupled
Transcription/Translation System Using a Dialysis Membrane," Biotechnology Progress, Bd. 12, Nr. 5, pp. 645-649, 1996. Transcription / Translation System Using a Dialysis Membrane, "Biotechnology Progress, Vol. 12, No. 5, pp. 645-649, 1996.

Claims

Ansprüche claims
1 . Ein Verfahren zur zellfreien Synthese von Polypeptiden, das folgende Schritte 1 . A method for cell-free synthesis of polypeptides, the following steps
umfasst:  includes:
1) Immobilisierung der RNA;  1) immobilization of the RNA;
2) Translation der RNA;  2) translation of the RNA;
Wobei die RNA wiederholt während einer semikontinuierlichen oder kontinuierlichen in vitro RNA Synthese immobilisiert wird, was die Transkription nicht beendet; und diese RNA wiederholt mit dem Translationsansatz vereinigt und translatiert wird. The RNA is repeatedly immobilized during a semicontinuous or continuous in vitro RNA synthesis, which does not terminate transcription; and this RNA is repeatedly combined with the translation approach and translated.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1 , das folgende Schnitte umfasst: 2. The method of claim 1, comprising the following sections:
1 ) Transkription von DNA zu mRNA  1) Transcription of DNA to mRNA
2) Immobilisierung der mRNA an magnetisierbare Partikel  2) Immobilization of the mRNA to magnetizable particles
3) Transferieren der magnetisierbaren Partikel  3) Transfer of magnetizable particles
4) Elution der mRNA  4) elution of the mRNA
5) Translation der RNA; wobei die Transkription und Translation in getrennten Kompartimenten stattfindet.  5) translation of the RNA; wherein transcription and translation take place in separate compartments.
3. Das Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die immobilisierte RNA zur Translation The method of claim 1, wherein the immobilized RNA is for translation
transferiert wird und/oder der Translationsansatz zur RNA transferiert wird.  is transferred and / or the translation mixture is transferred to the RNA.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, wobei die mRNA auf einem Chip mit Hilfe von Magnetkräften transferiert wird. 4. The method according to claims 1 and 2, wherein the mRNA is transferred on a chip by means of magnetic forces.
5. Das Verfahren nach Anspruch 1 und 4, wobei das Verfahren in einer mikrofluidischen Plattform und/oder von einem Pipettierroboter durchgeführt wird. 5. The method of claim 1 and 4, wherein the method is performed in a microfluidic platform and / or by a pipetting robot.
6. Das Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, wobei entweder die immobilisierte RNA translatiert wird oder eluiert und anschließend die freie RNA translatiert wird. 6. The method of claims 1 to 5, wherein either the immobilized RNA is translated or eluted and then the free RNA is translated.
7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die immobilisierte RNA 7. The method according to any one of claims 1 to 6, wherein the immobilized RNA
temperaturgesteuert oder ionengesteuert oder durch Abspaltung oder anderweitig eluiert wird und anschließend freie RNA translatiert wird. temperature-controlled or ion-driven or by elimination or otherwise eluted and then free RNA is translated.
8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die RNA entweder kovalent oder nicht kovalent über eine Biotin-Streptavidin Interaktion immobilisiert wird. 8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein the RNA is immobilized either covalently or non-covalently via a biotin-streptavidin interaction.
9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die RNA durch einen 9. The method according to any one of claims 1 to 8, wherein the RNA by a
Abstandhalter von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich getrennt wird.  Spacer defined by the immobilization matrix is spatially separated.
10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die RNA über 10. The method according to any one of claims 1 to 9, wherein the RNA via
Oligonukelotide immobilisiert wird und die Oligonukleotide ihrerseits kovalent oder nicht kovalent über eine Biotin-Streptavidin Interaktion immobilisiert sind. Die Oligonukleotide könne durch einen Abstandhalter von der Immobilisierungsmatrix definiert räumlich entfernt sein oder direkt an der Matrix immobilisiert werden.  Oligonucleotide is immobilized and the oligonucleotides are in turn covalently or non-covalently immobilized via a biotin-streptavidin interaction. The oligonucleotides can be spatially removed from the immobilization matrix by a spacer or immobilized directly on the matrix.
1 1. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei natürliche oder 1 1. The method according to any one of claims 1 to 10, wherein natural or
synthetische RNA Template synthetisiert werden, und wobei die natürliche RNA mit Hilfe von PCR Produkten, Plasmid DNA, genomischer DNA, geklonten DNA  Synthetic RNA template can be synthesized, and wherein the natural RNA using PCR products, plasmid DNA, genomic DNA, cloned DNA
Fragmenten, cDNA Bibliotheken, oder synthetischen Oligonukleotiden transkribiert wird.  Fragments, cDNA libraries, or synthetic oligonucleotides is transcribed.
12. Das Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 1 1 , wobei das zellfreie System auf Weizenkeimen, Retikulozyten, Hefe, Insektenzellen, CHO-Zellen, kultivierten Humanen Zellen oder anderen eukaryotischen und prokaryotischen Ursprüngen beruht oder synthetisch ist. 12. The method of any one of claims 1 to 11, wherein the cell-free system is based on wheat germ, reticulocytes, yeast, insect cells, CHO cells, cultured human cells or other eukaryotic and prokaryotic origins or is synthetic.
13. Das Verfahren nach einem der Ansprüchen 1 bis 12, wobei die RNA an nicht 13. The method according to any one of claims 1 to 12, wherein the RNA to not
magnetische, magnetische oder magnetisierbare Partikel.  magnetic, magnetic or magnetizable particles.
14. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei magnetisierbare Partikel mit immobilisierter mRNA mit Permanentmagneten oder Elektromagneten/Spulen bewegt und/oder separiert/immobilisiert werden. 14. The method according to any one of claims 1 to 13, wherein magnetizable particles with immobilized mRNA with permanent magnets or electromagnets / coils are moved and / or separated / immobilized.
15. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Prozessfluide im 15. The method according to any one of claims 1 to 14, wherein the process fluids in
System, wie Transkriptionslösung oder Waschlösung, entweder bewegt werden oder stationär sind. System, such as transcription solution or washing solution, either moved or stationary.
16. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei zwischen den Prozessfluiden, Trennfluide wie Luft, Öl oder andere, sind. Diese Trennfluide können permanent da sein oder zeitweise entfernt werden. The process of any one of claims 1 to 15, wherein between the process fluids, separation fluids such as air, oil or others are. These release fluids may be permanently there or temporarily removed.
17. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 16. 17. Apparatus for carrying out the method according to claims 1 to 16.
18. Die Vorrichtung nach Anspruch 17, umfassend eine Halterung für ein Mikrofluidiksystem, welches aus einer Polymerplatte mit strukturierten Kanälen besteht. Ein weiterer Bestandteil der Vorrichtung ist ein 3-achsig verfahrbarer Multifunktionskopf mit Halterungen für einen Permanentmagneten und eine Kamera zur Prozesskontrolle. Weiterhin gehört zu dem System eine elektronisch gesteuerte Temperaturregeleinheit und Thermoelemente zur Erzeugung verschiedener Temperaturzonen auf dem Mikrofluidiksystem. Die fixierte Mikrofluidik ist mit einem Pumpensystem zur Flüssigkeitsbewegung verbunden. 18. The apparatus of claim 17, comprising a support for a microfluidic system, which consists of a polymer plate with structured channels. Another component of the device is a 3-axis movable multifunction head with holders for a permanent magnet and a camera for process control. Furthermore, the system includes an electronically controlled temperature control unit and thermocouples for generating various temperature zones on the microfluidic system. The fixed microfluidics is connected to a pump system for fluid movement.
19. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Multifunktionskopf durch Stapeln 19. The apparatus of claim 18, wherein the multifunctional head is stacked
zweier Linieartische und eines pneumatischen Hubzylinders oder durch eine  two linear tables and a pneumatic lifting cylinder or by a
Kombination von Spindelantrieben im 3-dimensionalen Raum positioniert wird.  Combination of spindle drives in 3-dimensional space is positioned.
20. Die Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei der Permanentmagnet an dem Multifunktionskopf befestigt und das Magnetfeld durch einen angebrachten Metallkegel auf einen Mikrofluidikkanal fokussiert wird. 20. The apparatus of claim 18, wherein the permanent magnet is attached to the multifunction head and the magnetic field is focused by an attached metal cone onto a microfluidic channel.
21. Die Vorrichtung nach Ansprüchen 18 bis 20, wobei am Multifunktionskopf eine Kamera angebracht wird, (Beschreibung: welche die Bewegung der Partikel verfolgt) 21. The apparatus of claims 18 to 20, wherein a camera is mounted on the multi-function head (Description: which tracks the movement of the particles)
22. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21 , wobei notwendige Pumpschritte durch ein Spritzenpumpenarray (Beschreibung: aus z.B. 8 unabhängig steuerbaren Spritzenpumpen) gesteuert werden. The apparatus of any one of claims 18 to 21, wherein necessary pumping steps are controlled by a syringe pumping array (described in, for example, 8 independently controllable syringe pumps).
23. Die Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei eine Software die Bewegung der Spritzenpumpen und des 3-Achs-Systems steuert sowie die Temperaturregelung übernimmt. 23. The apparatus according to any one of claims 18 to 22, wherein software controls the movement of the syringe pumps and the 3-axis system and takes over the temperature control.
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