Gradientenmischer: Lego-Roboter ersetzt teuren DNA-Origami-Reiniger
Labore mit beschränkten Ressourcen können sich ihre Geräte selbst bauen, wie Studierende der Arizona State University anhand eines Gradientenmischers zeigen.
(Bild: Sentosa u. a. / PLOS One (CC-BY 4.0))
Studierende der Arizona State University haben einen Gradientenmischer für die DNA-Origami-Reinigung aus Lego-Klemmbausteinen gebaut, der schneller zum Ergebnis führt, als speziell dafür hergestellte Maschinen. Die Studierenden wollten damit zeigen, dass es auch mit einfachen Mitteln und kleinem Budget möglich ist, spezialisierte Maschinen für die Wissenschaft zu bauen.
Die Reinigung von DNA-Origami ist für viele wissenschaftlichen Bereiche von großer Bedeutung, etwa in der Biochemie, Biophysik, Molekulartechnik und der Herstellung von Therapeutika. Für das Falten der DNA, um so beliebige zwei- und dreidimensionale Formen erzeugen zu können, wird eine kontaminationsfreie Methode zur Reinigung von DNA-Origami-Nanostrukturen benötigt. Die DNA-Origami sollen so von überschüssigen Stapelsträngen gereinigt werden, schreiben die angehenden Wissenschaftler in ihrer Studie "Gradient-mixing LEGO robots for purifying DNA origami nanostructures of multiple components by rate-zonal centrifugation", der auf PLOS One im Open-Access-Verfahren veröffentlicht ist.
Dazu haben die Studierenden einen Gradientenmischer entwickelt, der komplett aus Lego-Klemmbausteinen aufgebaut ist. Alle dafür nötigen Bauteile stammen aus dem EV3 Lego Mindstorms Bausatz (ab 666,66 €), der ursprünglich für den Aufbau von vier unterschiedlichen Lego-Robotern gedacht ist, allerdings auch eigene Kreationen zulässt. Einzig eine Halterung für den Ultrazentrifugen-Röhrchenhalter mussten die Studierenden selbst mit dem 3D-Drucker erstellen.
Der Roboter besteht im Wesentlichen aus einem Gerüst, das eine horizontale Bewegung der Röhrchen sowie eine Drehbewegung über zwei Elektromotoren ermöglicht. Ein Servomotor sorgt über ein Zahnrad für die horizontale Bewegung, ein Spinnmotor übernimmt die Drehung der Röhrchen in der Halterung.
Reinigungsverfahren in Minuten statt Stunden
Der programmierbare EV3-Baustein mit ARM-9-Prozessor steuert die Maschine über ein Protokoll an, das den Mischvorgang der Flüssigkeit steuert. Dabei kippt der Servomotor die Röhrchen langsam in eine horizontale Position. Dadurch wird die Oberfläche zwischen den Glycerinlösungen vergrößert und die Diffusion beschleunigt. Nachdem die horizontale Position erreicht ist, nimmt der Spinnmotor seine Arbeit auf und dreht die Röhrchen. Dies ermöglicht eine schnelle Diffusion der Schichten mit unterschiedlichen Konzentrationen sowie einen reibungslosen Übergang. Ist dieser Vorgang beendet, fährt der Servomotor die Röhrchen wieder in ihre Ausgangsposition zurück.
(Bild: Sentosa u. a. / PLOS One (CC-BY 4.0))
In der Studie wurden mit den erzeugten Dichtegradienten DNA-Origami-Formen mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen zwischen 1:1 bis 1:100 gereinigt. Dies reichte aus, um die gefalteten DNA-Origami-Nanostrukturen von überschüssigen Stapelsträngen zu reinigen. Die Prozedur reduzierte die Reinigung von Stunden auf Minuten.
Der Gradient war dann bereit für die weitere Verarbeitung mittels Rate-zonal Centrifugation (RZC). Mit dieser Zentrifugationstechnik werden Partikel unterschiedlicher Größe und Form effektiv voneinander getrennt.
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Die Forschenden sehen ihren Roboter als Möglichkeit an, ihn in Laboren einzusetzen, in denen die Ressourcen knapp und damit stark eingeschränkt sind. Statt rund 500 US-Dollar für einen herkömmlichen Gradientenmischer auszugeben, könnte stattdessen auf den Lego-Bausatz zurückgegriffen werden, der im optimalen Fall für etwa 350 Dollar zu haben sei, sagen die Wissenschaftler.
(olb)