Den Sturm im Reaktionsgefäß entfachen

„Und das ist heute ein beachtliches jedoch oft unterschätztes Problem“, weiß PD Dr. Heidrun Rhode vom Institut für Biochemie I der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Schiller-Universität Jena, deren Gruppe sich hauptsächlich mit der Suche nach neuen Biomarkern für eine Reihe von schweren Erkrankungen beschäftigt. Denn die Experimente, die Wissenschaftler heute in den biochemischen Labors nicht nur an der Jenaer Universität durchführen, finden zunehmend mit kleiner werdenden Mengen statt. „Wir verwenden heute üblicherweise Reaktionsgefäße, die gerade einmal 50 oder sogar nur 10 Mikroliter Flüssigkeit fassen“, so Dr. Rhode. 50 Mikroliter entsprechen etwa dem Volumen eines durchschnittlichen Wassertropfens.

Trotz immer schnellerer Schüttler, winziger Magnetrührer oder der Anwendung von Ultra-Schallwellen – die Oberflächenspannung des Wassers und seine Bindung an die Gefäßwände verhindern, dass sich in den kleinen Näpfchen von so genannten Mikrotiterplatten oder auf dünnen Chip-Oberflächen Flüssigkeiten zufriedenstellend mischen lassen. „Das geschieht vor allem nicht schnell genug“, weiß Dr. Rhode. „Es dauert immer noch viele Minuten, bis die Mischung komplett ist.“ Doch in dieser Zeit können bereits Nebenreaktionen ablaufen oder sich die Konzentrationen der Lösungen und ihre Temperatur gravierend verändern.

Deshalb suchten Dr. Rhode und ihre Arbeitsgruppe nach einem alternativen Weg des Mischens und haben ihn gefunden. Sie nutzen die so genannte „Marangoni-Konvektion“, auch „thermocapillary convection“ genannt. Das nach einem italienischen Winzer benannte Phänomen sieht so aus: Gibt man einen Tropfen Alkohol auf eine Wasseroberfläche, so lassen sich rasante Turbulenzen mit immer wiederkehrenden geometrischen Figuren an der Wasseroberfläche beobachten. „Besonders gut sieht man dies, wenn kleine Partikel, wie beispielsweise Pfeffer, auf dem Wasser schwimmen“, so Dr. Rhode. Die Jenaer Biochemikerin und ihre Kollegen konnten nun erstmals und unerwartet zeigen, dass sich die „Marangoni-Konvektion“ auch in sehr kleinen Reaktionsgefäßen erzeugen und so zum extrem schnellen Durchmischen nutzen lässt. „Innerhalb einer Sekunde sind alle nacheinander pipettierten Flüssigkeiten gemischt, selbst in einem 50 Mikrolitervolumen“, versichert Rhode.

Die dazu benötigte Menge Alkohol ist übrigens nicht problematisch. Erstens sei diese „winziger als winzig“. „Außerdem funktioniert die Methode auch mit vielen anderen mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln“, so Dr. Rhode. Die Anwender können also jeweils dasjenige Lösungsmittel für den „Sturm im Reaktionsgefäß“ verwenden, das von den untersuchten Biomolekülen am besten vertragen wird.

Die von den Jenaer Forschern um Dr. Rhode entwickelte Methode wird unter dem Titel „Turbomixing in microplates“ demnächst in der Fachzeitschrift Journal of Biomolecular Screening der Society of Biomolecular Screening erscheinen.

Kontakt:
PD Dr. Heidrun Rhode
Institut für Biochemie I der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Nonnenplan 2, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 938634
Fax: 03641 / 938612
E-Mail: heidrun.rhode[at]mti.uni-jena.de