DE19746874A1 - Verfahren zur Isolierung und Reinigung von Nukleinsäuren an hydrophoben Oberflächen - insbesondere unter Verwendung hydrophober Membranen - Google Patents
Verfahren zur Isolierung und Reinigung von Nukleinsäuren an hydrophoben Oberflächen - insbesondere unter Verwendung hydrophober MembranenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Isolierung und
Reinigung von Nukleinsäuren an hydrophoben Oberflächen unter Verwendung
hydrophober Membranen oder Membranen mit hydrophobisierter Oberfläche.
Die Isolierung und Reinigung von Nukleinsäuren aus biologischen und
klinischen Probenmaterialien ist von essentieller Bedeutung für
Arbeitsbereiche, in denen Nukleinsäure-basierende Arbeitstechniken
angewendet werden und in die Nukleinsäure-basierende Techniken gerade
Einzug halten. Hierzu zählen zum Beispiel die Vaterschaftsanalyse,
Gewebetypisierungen, Identifizierung von Erbkrankheiten, Genomanalyse,
molekulare Diagnostik, Bestimmung von Infektionskrankheiten, Tier- und
Pflanzenzucht, transgene Forschung, Grundlagenforschung auf dem Gebiet
der Biologie und der Medizin sowie zahlreiche verwandte Arbeitsgebiete. Dabei
besteht eine generelle Schwierigkeit darin, biologische bzw. klinische
Probenmaterialien so aufzubereiten, daß die in ihr enthaltenen Nukleinsäuren
direkt in die jeweilige Analysenmethode eingesetzt werden können.
Aus dem Stand der Technik sind bereits zahlreiche Verfahren zur Reinigung
von DNA bekannt. So ist es bekannt, Plasmid-DNA beispielsweise zum Zwecke
des Klonierens oder auch für andere experimentelle Vorhaben nach dem
Verfahren von Birnboim [Methods in Enzymology 100 (1983) 243] zu reinigen.
Nach diesem Verfahren wird ein geklärtes Lysat bakteriellen Ursprungs einem
Caesiumchlorid Gradienten ausgesetzt und über einen Zeitraum von 4 bis 24
Stunden zentrifugiert. Diesem Verfahrensschritt folgt gewöhnlicherweise die
Extraktion und die Praezipitation der DNA. Dieses Verfahren ist mit dem
Nachteil verbunden, daß zum es einen apparativ sehr aufwendig und auf der
anderen Seite sehr zeitaufwendig, kosten intensiv und nicht automatisierbar ist.
Andere Methoden, bei denen geklärte Lysate eingesetzt werden um DNA zu
isolieren bestehen in der Ionenaustauschchromatographie [Colpan et al., J.
Chormatog. 296 (1984) 339] und in der Gelfiltrationsmethode. [Moreau et al.
Analyt. Biochem. 166 (1987) 188]. Diese Verfahren bieten sich in erster Linie
als Ersatz für den Caesiumchlorid-Gradienten an, machen aber ein
aufwendiges System für die Lösungsmittelversorgung sowie die Preazipitation
der so gewonnenen DNA-Fraktionen erforderlich, da sie gewöhnlicherweise
Salze enthalten und sehr verdünnte Lösungen darstellen.
Marko et al. [Analyt. Biochem. 121 (1982) 382] sowie Vogelstein et al. [Proc.
Nat. Acad. Sci. 76 (1979) 615] erkannten, daß, falls die DNA aus Nukleinsäure
enthaltenden Extrakten hohen Konzentrationen von Natriumiodid oder
Natriumperchlorat ausgesetzt wird, die DNA allein nur an mechanisch fein
zerkleinerten Glass-Scintillationsröhrchen sowie zerkleinerten
Glasfasermembranen bzw. Glasfiberplatten bindet, während RNA und Proteine
nicht binden. Die so gebundene DNA kann ggf. mit Wasser eluiert werden.
Aus den verschiedenen Lehren, die im Stand der Technik offenbart sind, geht
ferner ganz allgemein hervor, daß alle Nukleinsäurereinigungsverfahren, die
auf dem Prinzip der Festphasenextraktion beruhen, auf die Verwendung von
hydrophilen Oberflächen zurückgreifen - wie modifizierte Silica-Materialien -
(beispielsweise DEAE-Anionenaustauscherchromatographie, Silica-
Membranen oder Silica-Partikel).
Im Stand der Technik wird im allgemeinen darauf hingewiesen, daß die
Oberflächen unbedingt einen hydrophilen Charakter aufweisen müssen - wie
dies z. B. bei Silicagel der Fall ist - um für die Immobilisierung von
Nucleinsäuren tauglich zu sein. Dagegen findet sich im Stand der Technik
lediglich ein Hinweis auf die Verwendung hydrophober Oberflächen.
So wird in der WO-A-87/06621 die Immobilisierung von Nukleinsäuren an einer
PVDF-Membran beschrieben. Allerdings werden die an die PVDF-Membran
gebundenen Nukleinsäuren anschließend nicht eluiert, sondern die Membran
wird samt gebundener Nukleinsäuren direkt in einen PCR-Ansatz eingebracht.
Letztendlich wird in dieser internationalen Patentanmeldung und in der
weiteren Literatur jedoch die Lehre offenbart, daß hydrophobe Oberflächen
bzw. Membranen im allgemeinen zuvor mit Wasser oder Alkohol benetzt
werden müssen, um die Nukleinsäuren in halbwegs befriedigenden Ausbeuten
immobilisieren zu können.
Für eine Reihe von modernen Applikationen - wie z. B. der PCR-, der Reversed
-Transcription-PC R, SunRise, LCX- branched-DNA, NAS BA, oder TaqMan-
Technologie und ähnlichen Echtzeitquanitfizierungsverfahren für PCR - ist es
auf der anderen Seite jedoch absolut notwendig, die Nukleinsäuren direkt von
der festen Phase lösen zu können. Hierzu ist der WO-A-87/06621 diejenige
Lehre zu entnehmen, daß die Nukleinsäure zwar von den dort eingesetzten
Membranen wiedergewonnen werden kann, daß diese Wiedergewinnung
jedoch sehr problematisch ist und bei weitem nicht zur quantitativen Isolierung
von Nukleinsäuren geeignet ist. Daneben fallen die so gewonnenen
Nukleinsäuren in vergleichsweise sehr hoher Verdünnung an - ein Umstand, der
weitere Folgeschritte zwecks Konzentrierung und Isolierung zwangsläufig
erforderlich macht.
Aus den oben genannten Gründen stellen die aus dem Stand der Technik
bekannten Verfahren - insbesondere im Hinblick auf eine Automatisierung des
Verfahrensablaufs zur Nukleinsäuregewinnung - keinen geeigneten
Ausgangspunkt für eine verfahrenstechnisch möglichst einfache und
quantitative Isolierung von Nukleinsäuren dar.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der aus
dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Isolierung von Nukleinsäuren
zu überwinden und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches dazu
geeignet ist, ohne erheblichen technischen Mehraufwand weitgehend
vollautomatisch durchgeführt werden zu können.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin,
Nukleinsäuren an eine immobile Phase - insbesondere an eine Membran in der
Art und Weise zu binden, daß sie in einem folgenden Reaktionsschritt ohne
weiteres wieder von dieser Phase abgelöst werden kann und ggf. in weiteren
Anwendungen - wie z. B. Restriktionsverdauung, RT, PCR, RT-PCR oder
beispielsweise auch NASBA oder in jedweder anderen oben genannten
geeigneten Analyse- bzw. Enzymreaktion eingesetzt werden können.
Gelöst werden die vorgenannten Aufgaben erfindungsgemäß durch die
Verwendung von porösen hydrophoben Membranen, an welche die
Nukleinsäuren auf einfache Weise aus der die Nukleinsäuren enthaltenden
Probe gebunden und mittels ebenso einfacher Verfahrensschritte wieder
abgelöst werden können, wobei es die erfindungsgemäß einfache
Prozeßführung ermöglicht, das Verfahren insbesondere vollautomatisch
durchführen zu können.
Dabei wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Nukleinsäure enthaltende
Probe durch eine Probe bzw. Probenansatz definiert, die bzw. der
Nukleinsäuren enthält, die als geeignete Edukte für in vitro Transskriptionen,
PCR-Reaktionen, NASBA-Reaktionen oder cDNA-Synthesen dienen können -
wie z. B.: Plasma, Körperflüssigkeiten - wie beispielsweise Blut, Sputum, Urin,
Faeces -, Zellen, Serum, Abstriche, Gewebeproben jeder Art, Pflanzen und
Pflanzenteile, Bakterien, Viren, Hefen etc., wie beispielsweise sie in der
Europäischen Patentanmeldung Nr.: 95909684.3 offenbart sind, auf die hiermit
inhaltlich Bezug genommen wird - oder auch freie Nukleinsäuren.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nimmt man die oben beschriebene
Nukleinsäuren enthaltende Probe in einer Lösung auf, die geeignete Salze
und/oder Alkohol(e) enthält, anschließend ggf. den Ansatz aufschließt und
mischt und die so erhaltene Mischung mittels eines Vakuums, auf dem Wege
einer Zentrifugation, mittels Überdruck oder durch Kapillarkräfte über eine
hydrophobe Membran führt.
Als Salze für das Immobilisieren von Nukleinsäuren an hydrophoben
Membranen kommen Salze von Alkali- oder Erdalkalimetallen mit
Mineralsäuren in Frage; insbesondere Alkali- oder Erdalkalihalogenide bzw.
-sulfate worunter die Halogenide des Natriums oder Kaliums oder
Magnesiumsulfat besonders bevorzugt werden.
Ferner sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Salze von
ein- oder mehrbasischen oder auch polyfunktionellen organischen Säuren mit
Alkali- oder Erdalkalimetallen geeignet. Darunter fallen insbesondere Salze
des Natriums, des Kaliums oder des Magnesiums mit organischen
Dicarbonsäuren - wie z. B. Oxal-, Malon- oder Bernsteinsäure - oder mit
Hydroxy- bzw. Polyhydroxycarbonsäuren - wie z. B. bevorzugterweise mit
Zitronensäure.
Als besonders zweckmäßig hat sich dabei der Einsatz von sog. chaotropen
Agenzien herausgestellt. Chaotrope Substanzen sind in der Lage die
dreidimensionale Struktur der Wasserstoffbrückenbindung zu stören. Hierdurch
werden - wie allgemein bekannt ist - auch die intramolekularen Bindungskräfte
geschwächt, die bei der Ausbildung der räumlichen Strukturen - wie z. B.
Primär-, Sekundär-, Tertiär- oder Quartärstrukturen - bei biologischen
Molekülen beteiligt sind. Derartige chaotrope Agenzien sind dem Fachmann
aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt [Römpp, Lexikon der
Biotechnologie, Herausgeber. H. Dellweg R.D. Schmid u. W.E. Fromm,
Thieme Verlag, Stuttgart 1992].
Als bevorzugte chaotrope Substanzen gelten gemäß der vorliegenden
Erfindung beispielsweise Salze aus der Gruppe der Trichloracetate,
Thiocyanate, Perchlorate, Jodide oder Guanidin-Hydrochlorid und Harnstoff.
Die chaotropen Substanzen werden dabei in 0.01 bis 10 molarer wässeriger
Lösung, bevorzugt in 0.1 bis 7 molarer wässeriger Lösung und besonders
bevorzugt in 0.2 bis 5 molarer wässeriger Lösung eingesetzt. Hierbei können
die vorbezeichneten chaotropen Agenzien allein oder in Kombinationen
verwandt werden. Insbesondere werden - insbesondere werden 0.01 bis 10
molare wässerige Lösungen, bevorzugt 0.1 bis 7 molare wässerige Lösungen
und besonders bevorzugt in 0.2 bis 5 molare wässerige Lösungen von
Natriumperchlorat, Guanidinium-Hydrochlorid, Guanidinium-iso-thiocyanat,
Natriumiodid und/oder Kaliumiodid eingesetzt.
Als Alkohole kommen für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
zunächst alle Hydroxylderivate von aliphatischen oder acyclischen gesättigten
oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen in Betracht. Dabei ist es zunächst
unerheblich ob diese Verbindung eine, zwei, drei oder mehr Hydroxylgruppen -
wie mehrwertige C1-C5-Alkanole, beispielsweise Ethylenglykol, Propylenglykol
oder Glycerin - enthalten.
Daneben zählen ebenfalls die Zuckerabkömmlinge - die sog. Aldite - wie auch
die Phenole - beispielsweise Polyphenole - zu den erfindungsgemäß
einsetzbaren Alkoholen.
Unter den vorgenannten Hydroxyverbindungen werden die C1-C5-Alkanole -
wie Methanol, Ethanol, n-Propanol, tert.-Butanol und die Pentanole besonders
bevorzugt.
Als hydrophob gelten im Sinne der vorliegenden Erfindung solche Stoffe bzw.
Membranen, die von ihrem chemischen Charakter her nicht in Wasser
eindringen - bzw. vice versa - darin bleiben zu vermögen.
Unter hydrophober Oberfläche - vorzugsweise Membran - wird im Sinne der
vorliegenden Erfindung jede mikroporöse Trennschicht verstanden, die einen
hydrophoben Charakter aufweist. Im Falle einer Membran wird die hydophobe
Oberfläche durch eine Folie aus einem polymeren Materil gebildet, wobei das
Polymer vorzugsweise polare Gruppen, wie z. B. Ester- bzw. Carbonyl- oder
Amid-Gruppen aufweist. Auf der anderen Seite ist es denkbar, die polaren
Gruppe mit der Auftragung des Hydrophobierungsmittels auf eine Oberfläche
aufzubringen, die per se keine polaren Gruppen aufweist, falls dies gewünscht
ist.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt
der Begriff Oberfläche im weiteren Sinne auch eine Schicht von Partikeln bzw.
auch ein Granulat sowie auch Fasern mit hydrophoben Eigenschaften, die aus
den ursprünglich die Membranen aufbauenden Materialien bestehen.
Als bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung gelten Membranen die aus
einem hydrophilen Grundmaterial bestehen und die durch eine entsprechende
chemische Nachbehandlung, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt
ist - hydrophobisiert wurden, wie z. B. hydrophobisierte Nylon-Membranen, die
kommerziell erhältlich sind.
Unter hydrophobisierten Membranen werden erfindungsgemäß allgemein
solche Membranen verstanden, die als unter Umständen ursprünglich
hydrophile Membran mit dem unten erwähnten Hydrophobiermitteln überzogen
wurden. Derartige Hydrophobiermittel überziehen hydrophile Substanzen mit
einer dünnen Schicht hydrophober Gruppen, wozu beispielsweise längere
Alkylketten oder Siloxangruppen gehören. Geeignete Hydrophobiermittel sind
aus dem Stand der Technik in großer Zahl bekannt und stellen
erfindungsgemäß Paraffine, Wachse, Metallseifen etc. ggf. mit Zusätzen an
Aluminium bzw. Zirkoniumsalzen, quartäre organische Verbindungen,
Harnstoffderivate, fettstoffmodifizierte Melaminharze, Silicone, zinkorganische
Verbindungen Glutardialdehyde und ähnliche Verbindungen dar.
Daneben gelten als erfindungsgemäß einsetzbare hydrophobe
Membranen, solche Membranen, die hydrophobisiert sind und deren
Grundmaterial polare Gruppen aufweisen kann. Gemäß dieser Kriterien
eignen sich beispielsweise - insbesondere hydrophobisierte - Materialien
aus der folgenden Gruppe für den erfindungsgemäßen Einsatz:
Nylon, Polysulfone, Polyethersulfone, Polycarbonate, Polyacrylate sowie Acrylsäurecopolymere, Polyurethane, Polyamide, Polyvinylchlorid, Fluorocarbonate, Polytetrafluoroethylen, Polyvinylendifluorid, Ethylentetrafluoroethylen, Polyethylenchlorotrifluoroethylen-Coplymerisate oder Polyphenylensulfid sowie Cellulose und Cellulose-Mischester oder Nitro-cellulosen wie auch hydrophobisierte Glasfasermembranen, worunter hydrophobisierte Nylon-Membrane besonders bevorzugt sind.
Nylon, Polysulfone, Polyethersulfone, Polycarbonate, Polyacrylate sowie Acrylsäurecopolymere, Polyurethane, Polyamide, Polyvinylchlorid, Fluorocarbonate, Polytetrafluoroethylen, Polyvinylendifluorid, Ethylentetrafluoroethylen, Polyethylenchlorotrifluoroethylen-Coplymerisate oder Polyphenylensulfid sowie Cellulose und Cellulose-Mischester oder Nitro-cellulosen wie auch hydrophobisierte Glasfasermembranen, worunter hydrophobisierte Nylon-Membrane besonders bevorzugt sind.
Die Membranen, die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden,
haben dabei beispielsweise einen Porendurchmesser von 0.05 bis 20 µm,
vorzugsweise 0.2 bis µm und besonders bevorzugt 0.45 bis 5.0 µm.
Als Waschpuffer kommen ebenfalls die oben beschriebenen Salze oder
Alkohole bzw. Phenole oder Polyphenole in Frage. Die Temperaturen
liegen im Waschschritt üblicherweise in einem Intervall von 10 bis 30°C,
wobei auch höhere Temperaturen erfolgreich angewandt werden können.
Zur Elution der gebundenen Nukleinsäure eignen sich erfindungsgemäß
Wasser oder wässerige Salzlösungen als Elutionsmittel. Als Salzlösungen
werden Pufferlösungen eingesetzt, die aus dem Stand der Technik bekannt
sind, wie beispielsweise Morpholinopropansulfonsäure (MOPS),
Tris(hydroxymethyl)aminomethan (TRIS), 2-[4-(2-Hydroxyethyl)-1-
piperazino]ethansulfonsäure (HEPES) in einer Konzentration von 0.001 bis
0.5 Mol/Liter, bevorzugt 0.01 bis 0.2 Mol/Liter, besonders bevorzugt 0.01
bis 0.05 molare Lösungen. Daneben werden bevorzugt wässerige
Lösungen von Alkali- oder Erdalkalimetallsalzen - insbesondere deren
Halogenide - eingesetzt, worunter 0.001 bis 0.5 - bevorzugt 0.01 bis 0.2
molare, besonders bevorzugt 0.01 bis 0.05 molare wässerige Lösungen
von Natriumchlorid, Lithiumchlorid, Kaliumchlorid oder Magnesiumdichlorid.
Daneben können bevorzugt auch Lösungen von Salzen der Alkalimetalle
oder Erdalkalimetalle mit Carbon- oder Dicarbonsäuren - Oxalsäure oder
Essigsäure - in dem zuvor genannten Konzentrationsbereich eingesetzt
werden, wie z. B. 0.001 bis 0.5 molare - bevorzugt 0.01 bis 0.2 molare,
besonders bevorzugt 0.01 bis 0.05 molare Lösungen von Natriumacetat
oder -oxalat in Wasser.
Ganz besonders wird Wasser als Elutionsmittel bevorzugt.
Die Elution kann erfindungsgemäß mittels Überdruck, Vakuum
Zentrifugation oder durch Kapillarkräfte erfolgen.
Hinsichtlich der einzelnen Schritte wird das erfindungsgemäße Verfahren
wie folgt durchgeführt:
Das Lysat der zur Gewinnung der Nukleinsäuren dienenden Probe oder die
ursprünglich freie(n) Nukleinsäure(n) wird/werden beispielsweise in eine
(Plastik-)Säule pipettiert, in der - beispielsweise auf dem Boden - die
hydrophobe Membran fixiert wird. Zweckmäßigerweise kann die Membran
auf einer Fritte fixiert werden, die als mechanische Unterstützung dient.
Anschließend wird das Lysat durch die Membran geführt, was durch
Anlegen eines Vakuums am Ausgang der Säule erreicht werden kann. Auf
der anderen Seite kann der Transport durch einen Lysat-seitigen
Überdruck erfolgen. Daneben kann - wie schon zuvor erwähnt - der
Lysattransport auf dem Wege der Zentrifugation oder durch die Einwirkung
von Kapillarkräften bewerkstelligt werden; letzteres kann zum Beispiel mit
einem schwammartigen Material geschehen, das unterhalb der Membran
mit dem Lysat bzw. Filtrat in Kontakt gebracht wird.
Der Vorteil einer derartigen Anordnung besteht in einer einfachen, sicheren
und bequemen Möglichkeit der Filtrat-Entsorgung - es muß in diesem Fall
nur der Schwamm, der nunmehr mit dem Filtrat mehr oder weniger
vollgesogen ist, ausgetauscht werden. Es wird an dieser Stelle deutlich
daß die Säule kontinuierlich oder auch batch-weise betrieben werden kann
und, daß beide Betriebsarten vollautomatisiert durchgeführt werden
können, bis die hydrophobe Membran mit Nukleinsäure gesättigt ist. Im
letzten Schritt erfolgt die Elution der Nukleinsäure, welche beispielsweise
von der Membran abpipettiert bzw. abgehebert oder auch durch die
Membran oder durch die oben erwähnte Schicht aus Partikeln, Granulat
oder Fasern aus hydrophoben Membranmaterialien durchgesogen,
durchgedrückt oder durchzentrifugiert werden kann.
Das Auffangen von Fraktionen, welche in großer Verdünnung die
gewünschten Nukleinsäuren enthalten und eine anschließende
Konzentrierung erfordern, entfallen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
völlig - vielmehr fallen die gewünschten Nukleinsäuren in schwach oder
nicht-salzhaltigen Lösungen in sehr kleinen Volumina an, was von großem
Vorteil für alle molekularbiologischen Analyseverfahren ist, da hier
gewünscht ist, reine Nukleinsäuren in möglichst kleinen Volumina bei
gleichzeitig hoher Konzentration einzusetzen.
Daneben kann auch der letzte Verfahrensschritt - wie auch die
Vorbereitung der erfindungsgemäßen Membran bzw. der Säule für die
nächste Nukleinsäureisolation - leicht vollautomatisiert erfolgen, da die
abschließend eluierten Nukleinsäurensäuren von oben von der Membran
abgesaugt bzw. abpipettiert werden können.
Ferner bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß das über der
Membran befindliche Volumen als Reaktionsraum genutzt werden kann. So
ist es z. B. möglich, nach dem Isolieren und Eluieren der nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren gewonnenen Nukleinsäuren, diese einer
molekularbiologischen Applikation - wie Restriktionsverdauung, RT, PCR,
RT-PCR, NASBA oder Enzymreaktionen - zu unterwerfen, die aus diesen
Reaktionen hervorgehenden Nukleinsäuren gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren erneut an die hydrophobe bzw.
hydrophobisierte Membran zu binden, wie beschreiben zu waschen und
anschließend zu eluieren, zu isolieren, bzw. zu analysieren, beispielsweise
mittels Spektroskopie, Fluorometrie oder ähnlichen Meßverfahren.
Die vorbeschriebene Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele
erläutert. Verschiedenartige, andere Ausgestaltungen der Verfahren
werden für den Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung und den
Beispielen ersichtlich. Es wird jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen,
daß diese Beispiele und die diesen zugeordnete Beschreibung lediglich
zum Zweck der Erläuterung vorgesehen und nicht als Einschränkung der
Erfindung anzusehen sind.
In einer Plastiksäule werden kommerziell erhältliche hydrophobe Nylon-
Membranen (Beispielsweise ein Material der Fa. MSI: Magna SH mit einem
Porendurchmesser von 1,2 µm oder ein Material der Fa. Pall GmbH: Hydrolon
mit einem Porendurchmesser von 1,2 µm), die durch chemische
Nachbehandlung hydrophobisiert wurden, einlagig eingebracht. Die
Membranen werden auf einer Polypropylenfritte, die als mechanische
Unterstützung dient, plaziert. Die Membranen werden in der Plastiksäule durch
einen Spannring fixiert.
Die so vorbereitete Säule wird über eine Luerverbindung mit einer
Vakuumkammer verbunden - alle Isolierungsschritte werden mit Hilfe eines
angelegten Vakuums durchgeführt.
Zur Isolierung werden 5×105 HeLa-Zellen durch Zentrifugation pelletiert. Die
Zellen werden durch Zugabe von 150 µl eines handelsüblichen Guanidinium
iso-thiocyanat-Puffer - wie z. B. RLT-Puffer der Fa. Qiagen - auf an sich aus
dem Stand der Technik bekannte Weise lysiert. Dabei wird die Lyse durch
mehrmaliges Auf- und Abpipettieren oder vortexen über einen Zeitraum von ca.
5 s unterstützt. Anschließend werden 150 µl 70%-iges Ethanol zugefügt und
durch Auf- und Abpipettieren oder durch vortexen über einen Zeitraum von ca.
5 s gemischt.
Das Lysat wird anschließend in die Plastiksäule pipettiert und durch
Evakuierung der Vakuumkammer durch die Membran gesaugt. Unter den so
eingestellten Bedingungen bleibt die RNA an der Membran gebunden.
Anschließend wird mit einem ersten handelsüblichen Guanidinium-iso
thiocyanat-haltigen Waschpuffer - beispielsweise mit dem Puffer RW1 der Fa.
Qiagen - und danach mit einem zweiten Tris-haltigen bzw. TRIS- und alkohol
haltigen Waschpuffer - z. B. mit dem Puffer RPE der Fa. Qiagen - gewaschen.
Dabei werden die Waschpuffer jeweils durch Evakuierung der Vakuumkammer
durch die Membran gesaugt. Nach dem letzten Waschschritt wird das Vakuum
über einen Zeitraum von ca. 10 min aufrechterhalten, um die Membran zu
trocknen. Danach wird die Vakuumkammer belüftet.
Zur Elution werden 70 µl RNase-freies Wasser auf die Membran pipettiert, um
die gereinigte RNA von der Membran abzulösen. Nach einer Inkubation über
einen Zeitraum von 1 min bei einer Temperatur im Bereich von 10 bis 30°C wir
das Eluat mittels einer Pipette von oben von der Membran abpipettiert und der
Elutionsschritt wird zum Zweck einer vollständigen Elution noch einmal
wiederholt.
Die Menge an isolierter Gesamt-RNA wird anschließend durch photometrische
Messung der Lichtabsorption bei einer Wellenlänge von 260 nm ermittelt. Die
Qualität der so gewonnenen RNA wird durch die photometrische Bestimmung
des Verhältnisses der Lichtabsorption bei 260 nm zu derjenigen bei 280 nm
bestimmt (vgl. Fig. 1: Total-RNA über Hydrolon 1.2 isoliert).
Die Ergebnisse der zwei Isolierungen mit hydrophoben Nylonmembranen (Nr. 1
und 2) sind in der nachfolgenden Tabelle 1 Vergleichsversuche, in denen zum
einen hydrophiles Nylon (Nyaflo) (Nr. 3) sowie eine Silica-Membran eingesetzt
wurde (Nr. 4), gegenübergestellt. Die dort wiedergegebenen Werte liefern
einen überzeugenden Beleg für die beeindruckende Isolierungsleistung sowie
Trennwirkung der erfindungsgemäß eingesetzten hydrophoben Materialien.
Die isolierte RNA kann ferner auf Agarosegelen, die mit Ethidiumbromid
angefärbt sind, analysiert werden. Hierzu werden beispielsweise 1,2%-ige
Formaldehyd-Agarose-Gele angefertigt. Das Ergebnis ist in Fig. 2
wiedergegeben.
In Fig. 2 verkörpert Spur 1 eine Total RNA, die über eine hydrophobe Nylon-
Membran des Ursprungs Magna SH mit einem Porendurchmesser von 1,2 um
isoliert wurde.
Spur 2 stellt eine Total RNA dar, die über eine hydrophobe Nylon-Membran
des Ursprungs Hydrolon mit einem Porendurchmesser von 1,2 µm isoliert
wurde.
Spur 3 stellt das Chromatogramm einer Total RNA dar, die über eine Silica-
Membran isoliert wurde.
Dabei wurden jeweils 50 µl der Total-RNA Isolate analysiert.
Fig. 2 liefert einen deutlichen Beleg dafür, daß unter Verwendung der Silica-
Membran kein meßbarer Anteil an Total-RNA isoliert werden kann.
Bei diesem Beispiel werden Lysat und Waschlösungen mittels Zentrifugation
über die hydrophobe Membran geführt und die RNA durch Abnehmen des
Überstandes von oben eluiert.
5 mg bei -80°C tiefgefrorene Mausleber werden in ein mit 350 µl eines
kommerziell erhältlichen Guanidinium-iso-thiocyanat enthaltenden Lysepuffers
(beispielsweise Puffer RLT der Fa. Qiagen) gefülltes 2 ml Reaktionsgefäß
gegeben und mittels eines elektrischen Homogenisators über einen Zeitraum
von 30 s homogenisiert. Anschließend werden 350 µl 70%-iges Ethanol zu
dem Lysat gegeben und durch Auf- und Abpipettieren oder durch Vortexten
über einen Zeitraum von 5 s gemischt. Drei derartige Lysate werden
anschließend jeweils in eine Plastiksäulen enthaltend eine hydrophobe Nylon-
Membran vom Typ Magna SH 1.2 µm, eine hydrophobe Nylon-Membran vom
Typ Hydrolon und - als Vergleichsversuch - Glasfasermembran (hydrophiles
Silica), die sich in einem 2ml Auffanggefäß befinden, pipettiert. Das Lysat
wurde jeweils durch Zentrifugation über einen Zeitraum von 15 s bei 10.000 × g
durch die Membran geführt, wobei die RNA gemäß den in Tabelle 2
wiedergegebenen Werten an den Membranen haften blieb.
Der Durchbruch wird jeweils verworfen und die Säule erneut im Auffanggefäß
plaziert. Anschließend werden die Membranen einmal mit einem kommerziell
erhältlichen TRIS- und Ethanol-haltigen Waschpuffer (beispielsweise Puffer
RW1 der Fa. Qiagen) gewaschen sowie zweimal mit einem weiteren
kommerziell erhältlichen Guanidinium-iso-thiocyanat enthaltenden Waschpuffer
(beispielsweise Puffer RPE der Fa. Qiagen) gewaschen, wobei der
Waschpuffer jeweils durch Zentrifugation durch die Membran geführt wird und
der letzte Waschschritt bei 18.000 × g über einen Zeitraum von 2 min
Zentrifugationszeit durchgeführt wird, um die Membran zu trocknen.
Zur Elution werden 70 µl RNase-freies Wasser auf die Membran pipettiert, um
die gereinigte RNA von der Membran zu lösen. Nach einer Inkubation über
einen Zeitraum von einer Minute bei 10-30°C werden die Eluate von oben -
d. h.: vom Überstand auf der Membran mittels einer Pipette entnommen. Der
Elutionsschritt wurde noch einmal wiederholt.
Die Menge an isolierter Gesamt-RNA wurde durch photometrische Messung
der Lichtabsorption bei 260 nm ermittelt. - Die Qualität der so gewonnenen
RNA wird durch die photometrische Bestimmung der Verhältnisse der
Lichtabsorption bei 260 nm zu der bei 280 nm bestimmt.
Isolierung freier RNA durch Bindung der RNA an hydrophobe Membranen
mittels verschiedener Salz/Alkohol-Gemische. Bei diesem Beispiel werden
Lysat und Waschlösungen durch Anlegen eines Vakuums über die hydrophobe
Membran geführt.
In Plastiksäulen, die mit einer Vakuumkammer in Verbindung stehen, werden
hydrophobe Nylon-Membranen (beispielsweise Hydrolon 1.2 mm der Fa. Pall)
analog Beispiel 1 eingebracht.
100 µl einer Gesamt-RNA enthaltenden wässerigen Lösung werden jeweils mit
350 µl eines kommerziell erhältlichen Guanidinium-iso-thiocyanat enthaltenden
Lysepuffers (beispielsweise Puffer RLT der Fa. Qiagen), 350 µl 1.2 M
Natriumacetat-Lösung, 350 µl 2 M Natriumchlorid-Lösung, 350 µl 4 M
Lithiumchlorid-Lösung durch Auf- und Abpipettieren gemischt.
Anschließend werden jeweils 250 µl Ethanol zugegeben und ebenfalls durch
Auf- und Abpipettieren gemischt. Die RNA-haltigen Lösungen werden danach
in die Plastiksäulen einpipettiert und durch Evakuierung der Vakuumkammer
durch die Membran gesaugt. Unter den beschriebenen Bedingungen bleibt die
RNA an den Membranen gebunden. Die Membranen werden anschließend -
wie in Beispiel 1 beschrieben - gewaschen.
Abschließend wird die RNA - ebenfalls wie in Beispiel 1 beschrieben - von
oben - von der Membran mittels einer Pipette entnommen.
Die Menge an isolierter Gesamt-RNA wird durch photometrische Messung der
Lichtabsorption bei 260 nm ermittelt. - Die Qualität der so gewonnenen RNA
wird durch die photometrische Bestimmung der Verhältnisse der
Lichtabsorption bei 260 nm zu der bei 280 nm bestimmt.
Claims (50)
1. Verfahren zur Isolierung von Nukleinsäuren an hydrophoben Oberflächen,
dadurch gekennzeichnet daß es folgende Schritte umfaßt:
- - Immobilisieren der Nukleinsäuren an einer hydrophoben Oberfläche
- - gegebenenfalls Waschen der immobilisierten Nukleinsäure mit einem Waschpuffer
- - Ablösen der immobilisierten Nukleinsäure von der Oberfläche
- - ggf. Eluieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophobe
Oberfläche eine Membran ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß hydrophobe
Membran aus einem Polymer mit polaren Gruppen aufgebaut ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren wässerige Lösungen von Salzen der
Alkali- oder Erdalkalimetalle mit Mineralsäuren eingesetzt werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren Alkali- oder Erdalkalihalogenide
oder -sulfate eingesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren Halogenide des Natriums oder Kaliums
oder Magnesiumsulfat eingesetzt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren wässerige Lösungen von Salzen von ein-
oder mehrbasischen oder polyfunktionellen organischen Säuren mit Alkali-
oder Erdalkalimetallen eingesetzt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren wässerige Lösungen von Salzen des
Natriums, des Kaliums oder des Magnesiums mit organischen
Dicarbonsäuren eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die organische
Dicarbonsäure Oxalsäure, Malonsäure und/oder Bernsteinsäure ist.
10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren wässerige Lösungen von Salzen des
Natriums oder des Kaliums mit einer Hydroxy- oder
Polyhydroxycarbonsäure eingesetzt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die
Polyhydroxycarbonsäure Zitronensäure ist.
12. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren ggf. zusätzlich chaotrope Agenzien
eingesetzt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das chaotrope
Agenz ein Salz aus der Gruppe der Trichloracetate, Thiocyanate,
Perchlorate, Jodide oder Guanidin-Hydrochlorid, Guanidin-iso-thiocyanat
oder Harnstoff ist.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß 0.01
molare bis 10 molare wässerige Lösungen der chaotropen Agenzien allein
oder in Kombination mit anderen Salzen zum Immobilisieren der
Nukleinsäuren eingesetzt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß 0.1 molare bis
7 molare wässerige Lösungen der chaotropen Agenzien allein oder in
Kombination mit anderen Salzen zum Immobilisieren der Nukleinsäuren
eingesetzt werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß 0.2 molare bis
5 molare wässerige Lösungen der chaotropen Agenzien allein oder in
Kombination mit anderen Salzen zum Immobilisieren der Nukleinsäuren
eingesetzt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, dadurch gekennzeichnet,
daß eine wässerige Lösung von Natriumperchlorat, Guanidinium-
Hydrochlorid, Guanidinium-iso-thiocyanat, Natriumiodid und/oder
Kaliumiodid zum Immobilisieren der Nukleinsäuren eingesetzt wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren der Nukleinsäuren Hydroxylderivate von aliphatischen oder
acyclischen gesättigten oder ungesättigten Kohlenwasserstoffen eingesetzt
werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als
Hydroxylderivate C1-C5-Alkanole eingesetzt werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß als C1-C5-
Alkanole Methanol, Ethanol, n-Propanol, tert.-Butanol und/oder Pentanole
eingesetzt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als
Hydroxylderivat ein Aldit eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Immobilisieren der Nukleinsäuren ein Phenol oder Polyphenol
eingesetzt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Immobilisieren von Nukleinsäuren hydrophile Membranen mit einer
hydrophobisierten Oberfläche eingesetzt werden.
24. Verfahren nach einem Ansprüche 1-3, oder 23, dadurch
gekennzeichnet, daß die hydrophile Oberfläche oder die Membran aus
Nylon, einem Polysulfon, Polyethersulfon, Polycarbonat, Polyacrylat
sowie einem Acrylsäurecopolymeren, Polyurethan, Polyamid,
Polyvinylchlorid, Fluorocarbonat, Polytetrafluoroethylen,
Polyvinylendifluorid, Ethylentetrafluoroethylen, einem
Polyethylenchlorotrifluoroethylen-Coplymerisat oder Polyphenylensulfid
besteht.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß Oberfläche
oder die Membran aus einem hydrophobisierten Nylon besteht.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23-25, dadurch gekennzeichnet,
daß die Membran mit einem Hydrophobiermittel aus der Gruppe der
Paraffine, Wachse, Metallseifen ggf. mit Zusätzen an Aluminium bzw.
Zirkoniumsalzen, quartären organische Verbindungen, Harnstoffderivate,
fettstoffmodifizierten Melaminharze, Silicone, zinkorganischen
Verbindungen und/oder mit Glutardialdehyd beschichtet ist.
27. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zum
Waschen der immobilisierten Nukleinsäuren eine Salzlösung oder eine
Pufferlösung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 22 eingesetzt wird.
28. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Elution
der Nukleinsäure eine wässerige Salz- oder Pufferlösung eingesetzt wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Pufferlösung
eine oder mehrere Substanz(en) aus der Gruppe
Morpholinopropansulfonsäure (MOPS), Tris(hydroxymethyl)aminomethan
(TRIS), 2-[4-(2-Hydroxyethyl)-1-piperazino]ethansulfonsäure (HEPES)
enthält.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß die
Puffersubstanz in einer wässerigen Lösung mit einer Konzentration in
einem Bereich von 0.001 bis 0.5 Mol/Liter eingesetzt wird.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die
Puffersubstanz in einer wässerigen Lösung mit einer Konzentration in
einem Bereich von 0.01 bis 0.2 Mol/Liter eingesetzt wird.
32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die
Puffersubstanz in einer wässerigen Lösung mit einer Konzentration in
einem Bereich von 0.01 bis 0.05 Mol/Liter eingesetzt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß als Salzlösung
eine wässerige Lösung eines Alkalimetall- oder Erdalkalimetallhalogenids
eingesetzt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß als Salzlösung
eine wässerige Lösung von Natriumchlorid, Lithiumchlorid, Kaliumchlorid
oder Magnesiumdichlorid eingesetzt wird.
35. Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz
in der wässerigen Lösung in einer Konzentration in einem Bereich von
0.001 bis 0.5 Mol/Liter eingesetzt wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in der
wässerigen Lösung in einer Konzentration in einem Bereich 0.01 bis 0.2
Mol/Liter eingesetzt wird.
37. Verfahren nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in der
wässerigen Lösung in einer Konzentration in einem Bereich 0.01 bis 0.05
38. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß als Salzlösung
eine wässerige Lösung eines Salzes eines Alkalimetalls oder
Erdalkalimetalls mit einer Carbon- oder Dicarbonsäuren eingesetzt wird.
39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die
Carbonsäure Essigsäure und die Dicarbonsäure Oxalsäure ist.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz
Natriumacetat oder Natriumoxalat ist.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 38, 39 oder 40, dadurch
gekennzeichnet, daß das Salz in einer wässerigen Lösung in einer
Konzentration in einem Bereich von 0.001 bis 0.5 Mol/Liter vorliegt.
42. Verfahren nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in
einer wässerigen Lösung in einer Konzentration in einem Bereich von 0.01
bis 0.2 Mol/Liter, vorliegt.
43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, daß das Salz in
einer wässerigen Lösung in einer Konzentration in einem Bereich von 0.01
bis 0.05 Mol/Liter, vorliegt.
44. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß als
Elutionsmittel Wasser eingesetzt wird.
45. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-44, dadurch gekennzeichnet, daß
die Membran einen Porendurchmesser von 0.05 bis 20 µm, vorzugsweise
0.2 bis µm, besonders bevorzugt 0.45 bis 5.0 µm besitzt.
46. Verwendung einer Oberfläche oder einer Membran aus hydrophoben
Material oder einem hydrophilen Material, dessen Oberfläche
hydrophobisiert wurde, zur Isolierung von Nukleinsäuren.
47. Verwendung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die
Oberfläche oder die Membran aus Nylon, Polysulfone,
Polyethersulfone, Polycarbonate, Polyacrylate sowie
Acrylsäurecopolymere, Polyurethane, Polyamide, Polyvinylchlorid,
Fluorocarbonate, Polytetrafluoroethyl, Polyvinylendifluorid, Ethylen-co
tetrafluoroethylen, Polyethylenchlorodifluoroethylen-Coplymerisate oder
Polyphenylensulfid besteht.
48. Verwendung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, daß die
Membran eine hydrophobisierte Nylon-Membran ist.
49. Verwendung nach einem der Ansprüche 46 bis 48, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche oder Membran eine hydophile
Oberfläche oder Membran ist, die mit einem Hydrophobiermittel aus der
Gruppe der Paraffine, Wachse, Metallseifen ggf. mit Zusätzen an
Aluminium bzw. Zirkoniumsalzen, quartären organische Verbindungen,
Harnstoffderivate, fettstoffmodifizierten Melaminharze, Silicone,
zinkorganischen Verbindungen und/oder mit Glutardialdehyd überzogen
ist.
50. Vorrichtung enthaltend eine hydrophobe Oberfläche gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 3, eine Lösung zum Immobilisieren der Nukleinsäure
und eine Waschlösung sowie ggf. eine Elutionslösung.
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