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Blockheizkraftwerke
Produktübersicht: Thermocycler

Bei der PCR sind heute schnelle Zyklen und kleine ­Volumen angesagt. Thermo­cycler­ ­sollten aber nicht nur flott, sondern auch präzise heizen und kühlen können.

Je nach zugrundeliegendem Heiz- beziehungsweise Kühlprinzip lassen sich Thermocycler in zwei Kategorien einteilen: in Geräte mit Peltier-gesteuerten Heizblöcken aus Aluminium oder Silber, die Molekularbiologen überwiegend in der konventionellen Endpunkt-PCR einsetzen, sowie in Heißluftgeräte für die Real-Time-PCR. Bei letzteren heizt und kühlt ein Luftstrom die PCR-Proben in sekundenschnellem Wechsel. Beide Gerätetypen erreichen inzwischen rasante Aufheizraten von bis zu 10°C­ pro Sekunde bei Heizblock-Cyclern und 20°C bei Heißluftgeräten. Einen Standard-PCR-Lauf mit 30 Zyklen bringen kommerzielle Top-Geräte in zehn Minuten hinter sich und amplifizieren PCR-Fragmente von einem Kilobasenpaar Länge in einer halben Stunde.


PCR-Rekord

Damit liegen sie aber noch weit hinter dem PCR-Geschwindigkeits-Weltrekord zurück, den eine amerikanische Gruppe um Hendrik Viljoen von der Universität in Nebraska seit 2004 für sich beansprucht (Witney et al., Comp. Biol. & Chem. 28, 195-209). Der von Viljoens Team entwickelte Thermocycler mit dem treffenden Namen PCRJet rast in 42 Sekunden durch die obligatorischen 30 Standardzyklen und bringt damit selbst die schnellsten Polymerasen ins Schleudern, die bestenfalls 300 Nukleotide pro Sekunde einbauen können. Weil es keinen Sinn macht, wenn die Polymerase den Heizzyklen des Thermocyclers vergebens hinterher hechelt, drosselte die Gruppe den PCRJet auf eine Polymerase-taugliche Geschwindigkeit. Aber selbst mit angezogener Handbremse reichen zwei bis vier Minuten aus, um mit dem PCRJet 100 bis 500 Nukleotide lange DNA-Fragmente von Viren oder Bakterien zu amplifizieren.

Diese schnellen Heizzyklen macht ein so genanntes Ranque-Hilsch-Wirbelrohr im Inneren des PCRJet möglich, das eine bemerkenswerte Eigenschaft von Luftströmungen ausnutzt. Bläst man einen Luftstrom, wie bei einer Querflöte tangential zum Querschnitt und senkrecht zur Achse, in das Endstück eines geschlossenen zylindrischen Rohres mit kleinen Ausgangsöffnungen an beiden Rohrenden, passiert Erstaunliches: Aus dem Rohrende, das dem Einblasende gegenüber liegt, strömt warme Luft, deren Temperatur mehr als 100°C über der Temperatur der eingeblasenen Luft liegt. Dagegen strömt aus der Ausgangsöffnung am Einblasende kalte Luft mit einer Temperatur, die bis zu 50°C unter der Temperatur der eingeblasenen Luft liegt.

Zwar können Physiker diesen Effekt bis heute nicht in allen Einzelheiten erklären, dass man Wirbelrohre als Heizquelle in Thermocyclern ausnutzen kann, leuchtet aber selbst Nichtphysikern ein. Im Prinzip muss man dazu lediglich die Heiß- und Kaltluftausgänge an Schläuche anschließen, die das erhitzte beziehungsweise gekühlte Gas, zu den Kapillarröhrchen mit den PCR-Proben transportieren. Den Gasfluss regeln Viljoen et al. mit computergesteuerten Ventilen, die exakt nach den Vorgaben des PCR-Protokolls, warme oder kalte Luft passieren lassen.

Schnelle Heiz- und Kühlraten sind bei Thermocyclern ein wichtiges Kriterium. Ein Thermocycler sollte aber auch das vorgegebene Temperaturprofil präzise einhalten und daran scheitern offensichtlich noch immer viele Geräte. Nachdem bereits 2005 eine Gruppe um Martin Wagner vom Wiener Institut für Milchhygiene eklatante Abweichungen von vorgegebenen und tatsächlichen Temperaturprofilen bei Thermocyclern notierte, stellte kürzlich auch eine koreanische Gruppe etlichen Thermocyclern diesbezüglich ein schlechtes Zeugnis aus (Schoder et al., J. Clin. Microbiol., 2005, 43, 2724-28; Kim et al. Biotechniques 2008, 44, 495-5).

Die Gruppe vom Korea Research Institute of Standards and Science borgte sich von ihren Institutskollegen 19 Thermocycler (acht verschiedene Modelle mit Heizblöcken), die zwischen einem und 12 Jahren alt waren und von fünf Herstellern stammten. Mit den geliehenen Geräten führten Kim et al. Multiplex-PCR-Reaktionen durch und maßen die Temperatur innerhalb der Rektionsgefäße mit drahtförmigen Fühlern. Dabei registrierte die Gruppe teils erhebliche Abweichungen des gemessenen Temperaturprofils von den eingestellten Werten.


Fehlende Präzision

Theoretisch sollte die Temperatur nach der linear verlaufenden Aufheizphase ein Plateau bei exakt 94°C erreichen (Denaturierung), anschließend linear auf 60°C sinken (Annealing), nach einer kurzen Plateauphase erneut linear ansteigen und dann bei 72°C das letzte Temperaturplateau des Zyklus erklimmen (Elongation). Bei vielen Geräten schoss die Temperatur am Ende der Aufheizphasen jedoch kurzzeitig über die eingestellten Plateauwerte hinaus oder unterschritt diese am Ende der Abkühlphasen, bevor sie sich bei der eingestellten Plateau-Temperatur einpendelte. Dieses Über- beziehungsweise Unterschießen der Heizblocktemperatur beobachteten die Südkoreaner aber nicht nur bei dem 12 Jahre alten Thermocycler-Methusalem sondern auch bei Geräten, die zum Zeitpunkt der Studie (2007) erst ein Jahr alt waren. Die strengen koreanischen Qualitätswächter geben den Thermocycler-Herstellern deshalb den unmissverständlichen Rat, die Steuerungen für das Temperaturprofil „substantiell zu verbessern“.


(Erstveröffentlichung: H. Zähringer, Laborjournal 07/2010, Stand: Juli 2010, alle Angaben ohne Gewähr)


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Letzte Änderungen: 05.06.2010