Zerstören, aber richtig

Wenn Wissenschaftler etwas machen, dann machen Sie es richtig. Zum Beispiel Zellen zerstören, um die DNS herauszubekommen. Davide Accardi, Doktorand aus Palermo, zeigt mir wie das geht.

Man nehme: Ein Eppi (ein kleines Plastikröhrchen, das unten spitz zuläuft, benannt nach dem größten Hersteller, Eppendorf). Ganz wichtig in diesem Fall: Schraubverschluss. Das Modell fehlt im Bild.

Dort hinein fülle man die Zellen, gelöst in einem Tropfen Wasser und einigen Salzen. Das ganze sitzt unten in der Spitze des Eppis.

Darauf schüttet Davide ein grobkörniges, transparentes Pülverchen – Glaskügelchen, so genannte Beads, jedes einzelne einen halben Millimeter groß. Nicht zu viel, wichtig.

Und dann? Schütteln. Aber nicht einfach so, in der Hand. Viel zu schwach, zu langsam, zu unkontrolliert. Und genau das ist es, was mich jedes Mal wieder fasziniert: Wenn Wissenschaftler was machen, machen Sie es richtig. Oft haben sie dafür eine Maschine.

In diesem Fall eine Rüttel-und-Schüttel-Maschine, Modell Mini-Beadbeater 8. Also der Mini-Glaskügelchen-Schläger (oder Mixer). Der ist etwa so groß wie ein Retro-Toaster und genau wie dieser in eine Edelstahlhülle gepackt. Nicht so schön, aber funktionell. Star Wars-Fans fühlen sich vielleicht entfernt an die AT-AT erinnert (wenn man sich Beine dazu denkt).

In den Kopf dieser Rüttelmaschine steckt Davide vier der Eppis. Dann schraubt er die zylindrischen Kappe drauf, damit alles schön fest und sicher sitzt. Dann die Zeitschaltuhr auf eine Minute stellen – und ich sehe sofort ein, warum die Eppis Schraubverschlüsse brauchen und die Kappe des Maschinenkopfes ebenfalls verschraubt wird.

Affenzahn, anders kann man es nicht beschreiben. Mit 2800 Rüttlern und Schüttlern pro Minute, also 46 pro Sekunde, schüttelt der Beadbeater das Glaskügelchen-Zellen-Wasser-Gemisch, vor und zurück. Das da auch nur eine Zelle intakt bleibt, ist schwer vorstellbar. Es gibt auch ein Modell mit 6100 Oszillationen pro Minute. Da dauert das ganze Hackwerk nur eine halbe Minute.

Aber: Zuerst dachte ich, es wären die Glaskugeln, die durch rein mechanische Kraft die Zellen zerquetschen. So leicht kann man sich täuschen. Denn dafür sind die Glaskugeln viel zu groß. Umgerechnet auf menschliche Verhältnisse wäre eine Kugel mehr als einhundert Meter groß (Bernhard, einer der Physiker hier, hat das schnell mal ausgerechnet). Das heißt, zwischen den Kugeln ist eine Menge Platz für die Zellen. Das wäre nicht sehr effektiv.

Das was die Zellen zerstört, sind vor allem die enormen Druckunterschiede, die durch die hin- und her geschleuderten Glaskugeln in der Flüssigkeit entstehen. Die Kugeln sind eine Art quirl, die das Wasser in alle Richtung reißt. Dabei entstehen so gewaltige Scherkräfte, die an den Zellen ziehen und drücken, dass es sie auseinander reißt. Diese Tortur übersteht keine Zelle. Manche werden natürlich auch einfach zerquetscht. man stelle sich nur vor: Eine Glaskugel so groß wie zwei Fußballfelder nebeneinander.

Aber wie trennt man dann die Zellinnereien aus dem Glaskugel-Gemisch? Um die DNS zu extrahieren, können wir die Kügelchen nicht gebrauchen.

Und wieder gibt es eine Lösung, die sehr typisch für Wissenschaft ist, wie ich finde. Einerseits gibt’s für alles eine Maschine, manchmal sehr aufwändig konstruiert. Andererseits sind manche Lösungen wiederum so … so … so einfach.

Ich dachte erst, zum Auftrennen braucht Davide erneut eine toll konstruierte andere Maschine oder einen durchdachten Prozess. Doch es ist viel einfacher. Er sticht mit einer zuvor erhitzten Nadel ein Loch in die Spitze der Eppis. Dann steckt er diese in ein zweites Eppi. Fertig ist ein Sieb für die Glaskugeln. Das Loch muss nur einfach kleiner sein als die Kügelchen.

Warum schwierig, wenn es auch einfach geht.

Zum Rausschleudern der Zellinnereien ist es dann wieder wie mit dem Schütteln. Handbetrieb ist zu schwach, zu langsam, zu ungenau. Dafür gibt’s eine Zentrifuge. Die schleudert das Plastikröhrchen-Duo mit (bitte festhalten) 2100 Umdrehungen pro Minute im Kreis und treibt die Zellflüssigkeit aus dem oberen Eppi durch das Loch in das untere Eppi.

Welche Kräfte bei dieser Karussellfahrt entstehen, das verdeutlicht eine der wichtigsten Regeln beim Zentrifugieren: “Die Zentrifuge muss immer gleichmäßig besetzt werden“. Das heißt: Einfach mal ein Röhrchen durchschleudern ist verboten – oder drei, oder fünf. Es muss ein zweites, ein viertes oder sechstes Eppi, auf der jeweils gegenüberliegenden Seite eingesetzt werden. (siehe Kommentar Alexander) Das Gewicht muss gleich verteilt werden, sonst entsteht eine Unwucht und die Fliehkräfte Zerschmettern die Zentrifuge.

Man stelle sich ein Kettenkarussell vor, auf dem nur ein Elefant mitfährt und sonst niemand. Ohne ein Gegengewicht endet die Karussellfahrt irgendwann im Desaster.

Wahrscheinlich kennt jedes Labor die Geschichte eines Anfängers, der genau diesen Grundsatz vergessen hatte. Das ist natürlich auch eine Art von “Zerstören, aber richtig.”

Dank an Bernhard und Sven für die Erklärungen über die Zerstörungskraft der Glaskügelchen und natürlich an Davide)

Bilder: Wikipedia, Biospec Products