DE102009024757B4

DE102009024757B4 - Methods and apparatus for controlling a chemical reaction by pressure using high pressure optimized biocomponents

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Publication number: DE102009024757B4
Application number: DE102009024757A
Authority: DE
Inventors: R. Prof. Dr. Fuhr Günter; F. Prof. Dr. Bier Frank
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-06-12
Filing date: 2009-06-12
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2029-06-13
Also published as: EP2440673A2; DE102009024757A1; WO2010142459A2; WO2010142459A3

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer chemischen Reaktion mittels Druck unter Verwendung von hochdruckoptimierten Biokomponenten, wobei eine Kombination von hochdruck-optimierten und niederdruck-optimierten Biokomponenten, welche nebeneinander oder räumlich getrennt voneinander vorliegen können, verwendet wird.Method for controlling a chemical reaction by means of pressure using high-pressure-optimized biocomponents, whereby a combination of high-pressure-optimized and low-pressure-optimized biocomponents, which can be present next to one another or spatially separated from one another, is used.

Description

Es ist seit langem bekannt, dass biochemische Reaktionen, insbesondere enzymatische Reaktionen, wenigstens teilweise über die Temperatur gesteuert werden können, da viele biologische Makromoleküle, insbesondere Enzyme, deutliche ausgeprägte Maxima ihrer Funktionsfähigkeit und Effizienz bei bestimmten Temperaturen aufweisen. Allerdings ist diese Steuerung meist auf einen relativ engen Temperaturbereich beschränkt und größere Temperaturänderungen nach oben oder unten führen in der Regel zum Abbruch der Reaktion. Nur wenige Biomoleküle sind auch bei deutlich verschiedenen Arbeitstemperaturen funktionsfähig, so dass zyklische Bioreaktionen wenigstens außerhalb eines Organismus nur schwer über die Temperatur steuerbar sind.It has long been known that biochemical reactions, in particular enzymatic reactions, can be controlled at least partly by temperature, since many biological macromolecules, in particular enzymes, have distinct pronounced maxima of their functionality and efficiency at certain temperatures. However, this control is usually limited to a relatively narrow temperature range and larger temperature changes up or down usually lead to the termination of the reaction. Only a few biomolecules are functional even at significantly different operating temperatures, so that cyclic bioreactions at least outside an organism are difficult to control via temperature.

Eine Ausnahme und das Paradebeispiel für die Temperatursteuerung einer komplexen zyklischen Reaktion ist jedoch die sogenannte Polymerase-Kettenreaktion (PCR) zur Vervielfältigung von Nukleinsäuren, insbesondere DNA. Bei dieser Reaktion macht man sich die Eigenschaft der DNA-Polymerase zunutze, DNA-Stänge zu duplizieren. Dazu beginnt man mit einem oder mehreren kurzen Abschnitten doppelsträngiger DNA. Diese wird durch Erwärmung in Einzelstränge zerlegt und mit einem Primer mit einem freien 3'-OH-Ende gekoppelt. Diese Bindung und erste Phase wird als Annealing bezeichnet. Danach wird durch die Wirkung der DNA-Polymerase am Primer beginnend erneut ein Doppelstrang erzeugt. Denaturiert man anschließend die geschaffenen Doppelstränge wieder durch eine Temperaturerhöhung in Einzelstränge, können an diesen nach Abkühlung neue Primer binden und der Prozess wiederholt sich. Setzt man in jedem PCR-Ansatz zwei solche Primer ein, einen der am sense-Strang der zweite, der am antisense-Strang bindet, so erhält man mit jedem Zyklus von Neusynthese und Denaturierung eine Verdopplung (Kettenreaktion) des zwischen den Primern befindlichen DNA-Abschnittes. Verwendet man eine temperaturstabile Polymerase, wie sie aus Organismen aus heißen Quellen gewonnen werden kann, so läuft die Reaktion ohne Unterbrechung ab, wenn man Temperaturzyklen fährt. In der Regel beginnt man zwischen 92–98°C mit der Denaturierung der DNA. Dann folgt eine Temperatur, die das Ankoppeln der Primer erlaubt. Diese ist auf den Primer abgestimmt und liegt bei etwa 50°C. Nach dem Annealing erhöht man auf die optimale Arbeitstemperatur der Taq-DNA-Polymerase, die bei ca. 72°C liegt. Dann folgt wieder die Erhöhung über 90°C usw.An exception and the prime example for the temperature control of a complex cyclic reaction, however, is the so-called polymerase chain reaction (PCR) for the amplification of nucleic acids, in particular DNA. In this reaction, one makes use of the property of DNA polymerase to duplicate DNA rods. To do this, start with one or more short sections of double-stranded DNA. This is decomposed by heating in single strands and coupled with a primer with a free 3'-OH end. This bond and first phase is called annealing. Thereafter, a double strand is again generated by the action of the DNA polymerase on the primer. If the double strands are subsequently denatured again by increasing the temperature in single strands, new primers can bind to these after cooling and the process is repeated. If two such primers are used in each PCR batch, one of the ones on the sense strand and the second one which binds to the antisense strand, a doubling (chain reaction) of the DNA located between the primers is obtained with each cycle of new synthesis and denaturation. section. If you use a temperature-stable polymerase, as it can be obtained from organisms from hot springs, the reaction proceeds without interruption, if you run temperature cycles. As a rule, one begins with the denaturation of the DNA between 92-98 ° C. Then follows a temperature that allows the coupling of the primer. This is tuned to the primer and is around 50 ° C. After annealing, the optimal working temperature of the Taq DNA polymerase, which is about 72 ° C., is increased. Then again follows the increase over 90 ° C, etc.

Wesentlich für dieses Prinzip der Amplifizierung ist das Vorhandensein von Molekülen mit verschiedenen Arbeitstemperaturen, die gleichzeitig bis zur höchsten und niedrigsten Temperatur stabil bleiben müssen. Im Falle der DNA fordert das sichere Aufschmelzen in Einzelstränge die höchsten Temperaturen (> 90°C), auf die die Stabilität der Primer abgestimmt werden muß. Die DNA-Polymerase arbeitet bei 72°C optimal und bleibt ebenfalls bei der Aufschmelztemperatur stabil. Auf der Basis dieser Temperatur-gesteuerten Reaktionen wurden nach ihrer Einführung vor mehr als 20 Jahren die verschiedensten Modifikationen des Grundprinzips realisiert (RNA-Amplifikation, Kompetitive (RT-)PC, Nested-PCR, Multiplex-PCR, RACE-PCR, Inverse PCR, Vektoretten-PCR oder Alu-PCR sowie verschiedene Priming-Methoden). Die PCR ist inzwischen als zentrale bioanalytische Methode aus der Biotechnologie und Medizin nicht mehr wegzudenken. Durch den Einsatz von Light-Cyclern und anderen Geräten, die alternative Prinzipien zur Durchführung rascher Temperatursprünge realisieren, arbeitet die PCR-Technik robust und schnell. Dennoch stellen die hohen Temperaturen und auch die Temperaturänderungen deutliche Einschränkungen dar. So sind bislang keine weiteren Bioreaktionen nach einem ähnlichen Prinzip umgesetzt worden, da nicht viele Makromoleküle über die breite Temperaturstabilität und Reversibilität gegenüber Temperatursprüngen verfügen.Essential for this principle of amplification is the presence of molecules with different operating temperatures, which must remain stable at the same time up to the highest and lowest temperature. In the case of DNA, safe melting into single strands requires the highest temperatures (> 90 ° C), to which the stability of the primers must be tuned. The DNA polymerase works optimally at 72 ° C and also remains stable at the melting temperature. On the basis of these temperature-controlled reactions, the most diverse modifications of the basic principle were implemented after their introduction more than 20 years ago (RNA amplification, competitive (RT) PC, nested PCR, multiplex PCR, RACE-PCR, inverse PCR, Vector PCR or Alu-PCR as well as different priming methods). Meanwhile, PCR has become indispensable as a central bioanalytical method in biotechnology and medicine. By using light cyclers and other devices that implement alternative principles for performing rapid temperature jumps, PCR technology is robust and fast. Nevertheless, the high temperatures and also the temperature changes are significant limitations. So far, no other bioreactions have been implemented on a similar principle, since not many macromolecules have the broad temperature stability and reversibility to temperature jumps.

Aus dem Erfolg der temperatur-gesteuerten PCR-Verfahren leitet sich der Wunsch und die Forderung nach weiteren, insbesondere zum Thermocycling analogen Steuerprinzipien für biochemische Reaktionen ab. Da bei den PCR-analogen Verfahren alle Komponenten die T-Zyklen durchlaufen, müssen sie zumindest die höchste Temperatur ohne Schädigung tolerieren und dürfen nur bei ihrer Zyklustemperatur chemisch aktiv sein. Das schränkt die makromolekulare Kandidatenliste stark ein, denn meistens werden hohe Temperaturen (> 74°C) von Normaltemperaturspezies entnommen Makromolekülen nicht toleriert. Bisher gibt es neben den temperaturgesteuerten Reaktionszyklen nur traditionelle Prinzipien, wie die pH-Steuerung oder etwa die Veränderung der Ionenstärke der Lösung. Derartige Parameter sind jedoch nicht ohne erheblichen technischen Messaufwand und vor allem nicht ohne Veränderung der Lösungszusammensetzung und Volumina möglich. Beides sind gravierende Nachteile.From the success of the temperature-controlled PCR process, the desire and the demand for further, in particular for thermocycling analog control principles for biochemical reactions derived. Since all components in the PCR-analogous process undergo the T cycles, they must at least tolerate the highest temperature without damage and may only be chemically active at their cycle temperature. This severely restricts the macromolecular list of candidates, as high temperatures (> 74 ° C) are usually tolerated by normal temperature species. Macromolecules are not tolerated. So far, apart from the temperature-controlled reaction cycles, there are only traditional principles, such as the pH control or the change in the ionic strength of the solution. However, such parameters are not possible without considerable technical measurement effort and above all not without changing the solution composition and volumes. Both are serious disadvantages.

Für eine alternative Steuerung von biochemischen Reaktionen werden Biokomponenten, z. B. Makromoleküle, wie Enzyme, Proteine und/oder Zucker, Organellen wie Ribosomen oder Mitochondrienkomponenten, benötigt, die über möglichst eine einzige technisch einfache und die Lösung nicht kontaminierende oder verändernde physikalische Größe im Arbeitspunkt der Recktanten, wie sie im Folgenden allgemeiner genannt werden sollen, deutlich verschoben werden können.For an alternative control of biochemical reactions, biocomponents, e.g. As macromolecules, such as enzymes, proteins and / or sugars, organelles such as ribosomes or mitochondrial components, requires, if possible, a single technically simple and the solution not contaminating or changing physical size at the operating point of the reactants, as they should be more generally mentioned below , can be moved significantly.

Diese Prozesse müssen nahezu vollständig, zumindest langzeitreversibel sein. Das Spektrum der verwendbaren Moleküle und Komponenten sollte deutlich breiter als das der PCR-Technik sein. Die Änderung dieses oder dieser Parameter soll die Moleküle nicht schädigen sondern nur ihre chemische Wirksamkeit (Arbeitspunkte) deutlich verschieben. Besonders willkommen wäre ein Schwellwertverhalten (Ein/Aus). These processes must be almost complete, at least long-term reversible. The spectrum of usable molecules and components should be significantly wider than that of the PCR technique. The modification of this or this parameter should not damage the molecules but only significantly shift their chemical activity (working points). Especially welcome would be a threshold behavior (on / off).

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die oben genannte physikalische Größe auch der Druck sein kann und eine Steuerung biochemischer Rektionen mittels Druck realisierbar ist.The present invention is based on the recognition that the above-mentioned physical quantity can also be the pressure and that a control of biochemical reactions can be realized by means of pressure.

Die Druckabhängigkeit von Stoffwechselvorgängen wurde bei Normaldruckorganismen (1 atm), insbesondere Bakterien und Hefe, bereits in einzelnen Studien, allerdings noch nicht systematisch, untersucht. Bereits untersucht worden sind unter anderem Konformationsänderungen von Proteinen unter hohem Druck und es wurde gezeigt, dass die Funktion dieser Makromoleküle prinzipiell druckabhängig ist. Erhöht man beispielsweise den Druck auf normaldruckadaptierte Mikroorganismen, so kommen die Lebensprozesse bei etwa 10 bis 50 MPa zum Erliegen. Die DNA-Synthese erweist sich dabei neben anderem als am empfindlichsten und ausschlaggebend, während die RNA-Synthese erstaunlich drucktolerant zu sein scheint. Die Dissoziation von Ribosomen scheint ebenfalls wesentlich die Hochdrucktoleranz von Normaldruckorganismen zu limitieren (Yayanos, A. A. und Pollard, E. C. (1969) Biophysics 9, 1464–1482; Gross M. u. a. (1993) Eur. J. Biochem. 218, 463–468).The pressure dependence of metabolic processes in normal pressure organisms (1 atm), especially bacteria and yeast, has already been investigated in individual studies but not yet systematically. Among other things, conformational changes of proteins under high pressure have been investigated, and it has been shown that the function of these macromolecules is principally pressure-dependent. Increasing, for example, the pressure on normal pressure-adapted microorganisms, the life processes come to a standstill at about 10 to 50 MPa. Among other things, DNA synthesis proves to be the most sensitive and decisive, while RNA synthesis seems to be surprisingly pressure-tolerant. The dissociation of ribosomes also appears to substantially limit the high pressure tolerance of normal-pressure organisms (Yayanos, AA and Pollard, EC (1969) Biophysics 9, 1464-1482; Gross M. et al. (1993) Eur. J. Biochem 218, 463-468). ,

Die Druckabhängigkeit der Genregulation ist mehrfach nachgewiesen worden. Es verwundert daher nicht, dass sich bei Druckerhöhung an Flachwasserorganismen eine starke Beeinträchtigung der Translations- und Transkriptionsvorgänge zeigt (Kato, C. u. a. (1997), J. Mar. Biotechnol. 5, 210–218; Nakasone, K. u. a. (1999) FEMS Microbiol. Lett. 176, 351–356; Kato C. u. a. (1996), J. Biochem. 120, 301–305; Pole, R. K., Gibson, F. und Wu, G. (1994) FEMS Microbiol. Lett. 117, 214–224).The pressure dependence of gene regulation has been proven several times. It is therefore not surprising that pressure increases on shallow aquatic organisms show a marked impairment of the translation and transcription processes (Kato, C. et al. (1997), J. Mar. Biotechnol., 5, 210-218, Nakasone, K. et al. FEMS Microbiol Lett 176, 351-356, Kato C. et al (1996), J. Biochem 120, 301-305, Pole, RK, Gibson, F. and Wu, G. (1994) FEMS Microbiol. 117, 214-224).

Auch die Membrankomposition und deren Transporteigenschaften und Stabilität erwiesen sich als stark druckabhängig (siehe Pressure-regulated metabolism in microorganisms, Fumiyoshi Abe, Chiaki Kato und Koki Horikoshi, TRENDS IN MICROBIOLOGY 447, Band 7, Nr. 11, November 1999).The membrane composition and its transport properties and stability also proved to be highly pressure-dependent (see Pressure-regulated metabolism in microorganisms, Fumiyoshi Abe, Chiaki Kato and Koki Horikoshi, TRENDS IN MICROBIOLOGY 447, Volume 7, No. 11, November 1999).

3T3-Mausfibroblasten sterben bei 70 MPa (entspricht einer Tiefe von 7000 m) in Kultur.3T3 mouse fibroblasts die at 70 MPa (equivalent to a depth of 7000 m) in culture.

Anderseits lassen sich Bakterien aus der Tiefsee zwar bergen, zeigen aber optimale Wachstumsbedingungen erst bei hohen Drücken (je nach Tiefe des Lebensraumes 20 bis 50 MPa). (Bartlett, D. H. u. a. (1989) Nature 342, 572–574; Welch, T. J. und Bartlett, D. H. (1996) J. Bacteriol. 178, 5027–5031; Welch, T. J. und Bartlett, D. H. (1998) Mal. Microbiol. 27, 977–985; Allen, E. E., Facciotti, D. und Bartlett, D. H. (1999) Appl. Environ. Microbiol. 65, 1710–1720; Bidle, K. und Bartlett, D. H. (1999) J. Bacteriol. 181, 2330–2337.) Schon bei reduzierten Drücken von 10 MPa sind Inhibitionen der Stoffwechselvorgänge von 80% und mehr zu verzeichnen. Auch Proteine aus Tiefseeorganismen, die tot geborgen wurden, konnten isoliert werden und zeigen je nach Tiefe der Herkunft ihrer Spenderorganismen stark oder weniger stark ausgeprägte druckspezifische Abhängigkeiten.On the other hand, bacteria from the deep sea can be recovered, but show optimum growth conditions only at high pressures (depending on the depth of the habitat 20 to 50 MPa). (Bartlett, DH et al (1989) Nature 342, 572-574; Welch, TJ and Bartlett, DH (1996) J. Bacteriol 178, 5027-5031; Welch, TJ and Bartlett, DH (1998) Mal. Microbiol Allen, EE, Facciotti, D. and Bartlett, DH (1999) Appl. Environ., Microbiol., 65, 1710-1720, Bidle, K. and Bartlett, DH (1999) J. Bacteriol, 181, 2330 -2337.) Even at reduced pressures of 10 MPa, metabolic activity inhibitions of 80% and more are observed. Even proteins from deep-sea organisms that were recovered dead, could be isolated and show depending on the depth of origin of their donor organisms strongly or less pronounced pressure-specific dependencies.

Aus physikalischer Sicht beeinflussen im Wesentlichen drei Effekte druckabhängig chemische Reaktionen auch in biologischen Systemen:

1. Die bereits genannte Druckabhängigkeit der Konformationszustände von Makromolekülen.
2. Die Reaktionsgeschwindigkeit jedweder chemischen Reaktion, die je nach Zu- oder Abnahme des Systemvolumens als der relevanten thermodynamischen Größe durch Druckänderungen schneller oder langsamer ablaufen.
3. Die Dissoziationsneigung, die mit steigendem Druck wächst, so dass mehr ionisierte Moleküle vorliegen. Das bedeutet auch, dass Multiproteincomplexe instabil werden.
Thermodynamisch wird dies über die nachfolgenden Gleichungen beschrieben:
wobei K die Gleichgewichtskonstante ist, k die Geschwindigkeitskonstante, p der Druck (in Atmosphären), T die absolute Temperatur (Kelvin) und R die Gaskonstante (ml atm K^–1 mol^–1); ΔV die Differenz zwischen dem Anfangs- und Endvolumen im Gesamtsystem bei Gleichgewicht (Reaktionsvolumen), ΔV* die scheinbare Volumenänderung der Aktivierung (Aktivierungsvolumen) und den Volumenunterschied zwischen den Recktanten und dem Übergangszustand repräsentiert: ist eine Reaktion von einer Volumenerhöhung begleitet, wird sie durch erhöhten Druck gehemmt, während eine von einer Volumenverringerung begleitete Reaktion durch erhöhten Druck gefördert wird.

From a physical point of view, essentially three effects influence pressure-dependent chemical reactions even in biological systems:

1. The already mentioned pressure dependence of conformational states of macromolecules.
2. The reaction rate of any chemical reaction that occurs faster or slower as pressure or pressure increases, as system volume increases or decreases, as the relevant thermodynamic quantity.
3. The dissociation tendency, which increases with increasing pressure, so that more ionized molecules are present. This also means that multiprotein complexes become unstable.
Thermodynamically, this is described by the following equations:
where K is the equilibrium constant, k the rate constant, p the pressure (in atmospheres), T the absolute temperature (Kelvin) and R the gas constant (ml atm K ^-1 mol ^-1 ); ΔV is the difference between the initial and final volumes in the total system at equilibrium (reaction volume), ΔV * the If a reaction is accompanied by an increase in volume, it is inhibited by increased pressure, while a reaction accompanied by a reduction in volume is promoted by increased pressure.

Druckabhängige Änderungen des thermodynamischen Systemvolumens sind nicht mit Volumenänderungen des Organismus oder einer Zelle zu verwechseln. Es handelt sich vielmehr beispielsweise um Änderungen der Anlagerung von Wasser an Makromoleküle, Ionen und Membranen.Pressure-dependent changes in the thermodynamic system volume should not be confused with volume changes of the organism or a cell. Rather, it is, for example, changes in the attachment of water to macromolecules, ions and membranes.

Allein aus der Thermodynamik chemischer Reaktionen kann also abgeleitet werden, dass die Druckabhängigkeit der metabolischen Reaktionen in Zellen die Lebens- und Stoffwechselvorgänge entscheidend beeinflusst. Bedenkt man, dass, wie sich aus den obigen Gleichungen ergibt, eine chemische Reaktion bei 1000 atm bis zu 200 000 Mal schneller ablaufen kann als bei 1 atm, allerdings ebenso entsprechende Verlangsamungen auftreten können, so ist sofort einsichtig, dass ständig unter hohem Druck lebende Organismen wie Tiefseeorganismen eine Anpassung und Abstimmung aller Reaktionen im Laufe der evolutionären Anpassung an die Tiefe vorgenommen haben müssen und schlechterdings nicht einfach unter Druckentlastung weiter zu leben vermögen. Es ist ebenfalls ersichtlich (und durch Untersuchungen belegt), dass solche Organismen aufgrund der erforderlichen Anpassung hochdruck-optimierte Zellbestandteile und Makromoküle enthalten, welche zwar bei hohem Druck, nicht jedoch bei niedrigen Druck funktionsfähig sind, und damit als biologische Komponenten einer druckgesteuerten Reaktion geeignet sind.From the thermodynamics of chemical reactions it can be deduced that the pressure-dependence of the metabolic reactions in cells has a decisive influence on the life and metabolic processes. Considering that, as shown by the above equations, a chemical reaction at 1,000 atm can run up to 200,000 times faster than at 1 atm, but corresponding slowdowns can occur as well, it is immediately obvious that living under high pressure is always present Organisms such as deep-sea organisms must have adapted and coordinated all reactions in the course of evolutionary adaptation to the depth and simply can not simply continue to live under pressure relief. It is also evident (and demonstrated by research) that because of the required adaptation, such organisms contain high pressure optimized cell constituents and macromolecules which are functional at high pressure but not at low pressure and thus are suitable as biological components of a pressure controlled reaction ,

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, nämlich die Bereitstellung eines alternativen Wegs zur einfachen und effizienten Steuerung biochemischer Reaktionen, wird somit erfindungsgemäß gelöst durch die Bereitstellung des Verfahrens zur Steuerung einer chemischen Reaktion mittels Druck unter Verwendung einer Kombination von hochdruck-optimierten Biokomponenten und niederdruck-optimierten Biokomponenten nach Anspruch 1, sowie die Bereitstellung der Vorrichtung nach Anspruch 17. Weitere Aspekte und bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.The object underlying the present invention, namely to provide an alternative way to easily and efficiently control biochemical reactions, is thus achieved according to the invention by providing the method of controlling a chemical reaction by pressure using a combination of high pressure optimized biocomponents and Low-pressure optimized biocomponents according to claim 1, as well as the provision of the device according to claim 17. Further aspects and preferred embodiments are subject of the further claims.

Der Begriff „hochdruck-optimierte Biokomponenten”, wie hier verwendet, bedeutet, dass die entsprechenden Biokomponenten ein Optimum ihrer Aktivität, Funktionsfähigkeit und/oder Effizienz bei einem deutlich höheren Druck als Normaldruck aufweisen. Die hochdruck-optimierten Biokomponenten werden typischerweise ein funktionelles Optimum bei einem Druck im Bereich von etwa 11 bis 200 MPa, vorzugsweise von etwa 21 bis 200 MPa, bevorzugter von 30 bis 150 MPa, noch bevorzugter von 50 bis 120 MPa, aufweisen.As used herein, the term "high pressure optimized biocomponents" means that the respective biocomponents have an optimum of their activity, functionality, and / or efficiency at a significantly higher pressure than normal pressure. The high pressure optimized biocomponents will typically have a functional optimum at a pressure in the range of about 11 to 200 MPa, preferably from about 21 to 200 MPa, more preferably from 30 to 150 MPa, even more preferably from 50 to 120 MPa.

Der Begriff „niederdruck-optimierte Biokomponenten”, wie hier verwendet, bedeutet dass diese Biokomponenten im Vergleich zu den hochdruck-optimierten Biokomponenten das Optimum ihrer Aktivität, Funktionsfähigkeit und/oder Effizienz bei einem deutlich niedrigeren Druck zeigen. Typischerweise werden die niederdruck-optimierten Biokomponenten ein Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 20 MPa, vorzugsweise 1 bis 10 MPa, aufweisen.As used herein, the term "low pressure optimized biocomponents" means that these biocomponents exhibit the optimum of their activity, performance and / or efficiency at a significantly lower pressure compared to the high pressure optimized biocomponents. Typically, the low pressure optimized biocomponents will have an optimum at a pressure in the range of 0.1 to 20 MPa, preferably 1 to 10 MPa.

Wie aus den obigen Bereichsangaben hervorgeht, kann man Biokomponenten mit einem funktionellen Optimum in einem mittleren Bereich von etwa 11 bis 20 MPa sowohl als niederdruck- wie auch als hochdruck-optimierte Biokomponenten betrachten. im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt es bei einer Mischung von Hochdruck- und Niederdruckkomponenten in erster Linie darauf an, dass die beiden unterschiedlichen Komponenten klar abgegrenzte Funktionsmaxima bei unterschiedlichen Drücken aufweisen (wobei der höhere Druck dann die „Hochdruckkomponenten” definiert), und weniger auf die absoluten Werte der Druckmaxima. Allerdings wird die Verwendung von Biokomponenten mit Funktionsmaxima bei stark unterschiedlichen Drücken die Steuerung von Reaktionen mittels Druck naturgemäß erleichtern und u. a. aus den bereits angeführten Gründen ist die Isolierung von Biokomponenten mit diesen Charakteristika am erfolgversprechendsten, wenn solche Ausgangsorganismen verwendet werden, die an sehr unterschiedliche Drücke angepasst sind.As can be seen from the above ranges, one can consider biocomponents with a functional optimum in a middle range of about 11 to 20 MPa as both low pressure and high pressure optimized biocomponents. In the context of the present invention, in the case of a mixture of high-pressure components and low-pressure components, it is primarily important for the two different components to have clearly delimited function maxima at different pressures (the higher pressure then defining the "high-pressure components"), and less so absolute values of the pressure maxima. However, the use of biocomponents with functional maxima at greatly varying pressures will naturally facilitate the control of reactions by pressure, and u. a. For the reasons already stated, the isolation of biocomponents with these characteristics is most promising when using starting organisms adapted to very different pressures.

Die hochdruck-optimierten Biokomponenten stammen daher vorzugsweise aus Tiefseeorganismen oder einer daraus erhaltenen Zellkultur, während die niederdruck-optimierten Biokomponenten vorzugsweise aus Normaldruckorganismen oder einer daraus erhaltenen Zellkultur stammen. Diese Organismen enthalten jeweils funktionale Makromoleküle und daraus aufgebaute übergeordnete Strukturen wie Organellen etc., die druckadaptiert sind, d. h. die Effektivität, der Arbeitsbereich der Makromoleküle, Organellen oder Zellen, besitzt ein druckabhängiges Optimum. Alle Organismen auf der Erdoberfläche sind an den Luftdruck (ca. 1 atm) angepasst. Erhöht man den Druck, verlieren sie kontinuierlich oder auch sprunghaft an Reaktionsfähigkeit bis hin zur Inaktivität bei Drücken im Bereich von 10 bis 100 MPa. Genau umgekehrt verhält es sich bei Tiefseeorganismen. Ab einer Tiefe von 5000 m, wahrscheinlich schon ab 3000 m, treten obligat barophile Organismen auf. Diese können vor allem aus den genannten molekularen Gründen nicht an Normaldruck adaptiert werden. Einer der Gründe liegt in den auf die entsprechende Tiefe abgestimmten Optima der Arbeitsbereiche der Makromoleküle und nachfolgend höheren Strukturen, bis hin zu den Zellen und Geweben. Beispielsweise sind nahezu alle Membrantransportprozesse deutlich druckabhängig und folglich tiefseeoptimiert.The high-pressure-optimized biocomponents are therefore preferably derived from deep-sea organisms or from a cell culture obtained therefrom, while the low-pressure-optimized biocomponents preferably originate from normal-pressure organisms or from a cell culture obtained therefrom. These organisms each contain functional macromolecules and higher-level structures constructed therefrom, such as organelles, etc., which are pressure-adapted, ie the effectiveness, the working range of the macromolecules, organelles or cells, has a pressure-dependent optimum. All organisms on the earth's surface are adapted to the atmospheric pressure (about 1 atm.). Increasing the pressure, they lose continuously or even leaps in responsiveness to inactivity at pressures in the range of 10 to 100 MPa. The opposite is true for deep-sea organisms. From a depth of 5000 m, probably already from 3000 m, obligate barophilic organisms occur on. These can not be adapted to normal pressure, especially for the molecular reasons mentioned. One of the reasons lies in the optimized depth of the working areas of the macromolecules and subsequently higher structures, down to the cells and tissues. For example, almost all membrane transport processes are clearly pressure-dependent and thus deep-sea-optimized.

In einer typischen Ausführungsform der Erfindung wird daher eine Mischung von hochdruck-optimierten Biokomponenten, z. B. Hochdruckmolekülen, Organellen oder Zellen, die aus Tiefseeorganismen isoliert wurden, mit niederdruck-optimierten Biokomponenten, z. B. Niederdruckmolekülen, Organellen oder Zellen, aus Normaldruckorganismen für druckgesteuerte biochemische oder chemische Reaktionen, insbesondere zyklische Reaktionen, verwendet. Zur Steuerung zyklischer Reaktionsfolgen, aber auch bei der Verwendung von Zelllysaten oder anderen komplexen Reaktionsmischungen stellt dieses Prinzip ein Mittel dar, Einzelreaktionen eines Zyklus gegenüber anderen zu verlangsamen oder vollständig abzuschalten. Wird der Druck verändert, werden die anderen (inversen) Reaktionen verlangsamt oder ganz angehalten und nur die zuerst genannten laufen optimal ab. So besteht ein wesentliches Konzept des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, zwei oder mehrere Makromolekültypen oder Organellen, letztendlich auch Zellysate oder auch funktionsfähige Zellpopulationen (im folgenden Reaktoren genannt) so zu mischen oder räumlich getrennt anzuordnen, dass einige der Reaktoren hochdruck-adaptiert (im Folgenden mit dem Zusatz „HP”) andere normaldruckoptimiert („NP”) sind. Nimmt man den Extremfall eines obligat barophilen Tiefseeorganismus mit einem Optimum des Arbeitspunktes der in Frage kommenden molekularen oder zellulären Komponente bei 50–110 MPa und nahezu keiner Aktivität der Biosynthesekomponenten bei Normaldruck, aus dem man die entsprechenden Makromoleküle, Organellen oder auch Zellen funktionsfähig isoliert und diese mit anderen Komponenten, isoliert aus Normaldruckorganismen, mischt, so kann man die jeweiligen Reaktionen über Druckänderungen an- und abschalten oder auch bei dazwischen liegendem Druck (MP) gemeinsam verlangsamt ablaufen lassen. Prinzipien der Reaktionsabläufe sind in 1 dargestellt.In a typical embodiment of the invention, therefore, a mixture of high pressure optimized biocomponents, e.g. As high pressure molecules, organelles or cells isolated from deep-sea organisms, with low-pressure-optimized biocomponents, eg. As low pressure molecules, organelles or cells, from normal pressure organisms for pressure-controlled biochemical or chemical reactions, especially cyclic reactions used. In order to control cyclic reaction sequences, but also when using cell lysates or other complex reaction mixtures, this principle provides a means of slowing down or completely shutting off individual reactions of one cycle over another. If the pressure is changed, the other (inverse) reactions are slowed down or stopped altogether, and only the first mentioned run off optimally. Thus, an essential concept of the method according to the invention is to mix or spatially separate two or more macromolecule types or organelles, ultimately also cell lysates or functional cell populations (hereinafter referred to as reactors) that some of the reactors are high-pressure adapted (hereinafter with the Addition "HP") other normal pressure optimized ("NP") are. Taking the extreme case of an obligate barophilic deep-sea organism with an optimum working point of the candidate molecular or cellular component at 50-110 MPa and almost no activity of the biosynthesis components at normal pressure, from which the corresponding macromolecules, organelles or even cells are isolated and functional With other components, isolated from normal pressure organisms, mixes, so you can turn the respective reactions on pressure changes on and off or even run at intermediate pressure (MP) run together slowed down. Principles of the reaction processes are in 1 shown.

In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der zu steuernden chemischen oder biochemischen Reaktion um eine enzymatische Reaktion, insbesondere eine PCR-Reaktion oder eine andere Reaktion zur Vervielfältigung oder Manipulation von Nukleinsäure.In a specific embodiment of the invention, the chemical or biochemical reaction to be controlled is an enzymatic reaction, in particular a PCR reaction or another reaction for the amplification or manipulation of nucleic acid.

Der Begriff „Steuerung einer (bio)chemischen Reaktion mittels Druck”, wie hier verwendet, beinhaltet grundsätzlich jede Art des Beeinflussung des Ablaufs einer chemischen Reaktion durch die Vorgabe eines bestimmten Drucks und/oder durch Druckänderungen. Typischerweise beinhaltet eine solche Steuerung, dass die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion durch eine Druckänderung eingestellt werden kann und/oder dass die chemische Reaktion durch eine Druckänderung an- oder abgeschaltet werden kann. Die Reaktion kann z. B. zur Entnahme von Reaktionsprodukten oder Entnahme/Zufuhr von Reaktionspartnern vorübergehend oder dauerhaft gestoppt werden.The term "control of a (bio) chemical reaction by pressure" as used herein basically includes any manner of affecting the course of a chemical reaction by prescribing a particular pressure and / or pressure changes. Typically, such control includes that the rate of the chemical reaction can be adjusted by a pressure change and / or that the chemical reaction can be switched on or off by a pressure change. The reaction may, for. B. for the removal of reaction products or removal / supply of reactants are temporarily or permanently stopped.

In spezielleren Ausführungsformen der Erfindung werden kontinuierliche oder periodische Druckänderungen vorgenommen, einschließlich Druckänderungen, die bestimmten vorgegebenen Funktionen, z. B. Funktionen mit sinusförmigen, rampenförmigen, rechteckigen, dreieckigen oder trapezförmigen Verläufen, folgen.In more specific embodiments of the invention, continuous or periodic pressure changes are made, including pressure changes affecting certain predetermined functions, e.g. B. functions with sinusoidal, ramp-shaped, rectangular, triangular or trapezoidal progressions follow.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren können auch Zwischenzustände über MP (mittlere Druckniveaus zwischen HP und NP) definiert werden und Systeme mit mehreren Druckzuständen, z. B. Tristate oder Multistate (HP, MP1, MP2, ..., NP), definiert werden. Insbesondere für Systeme und Verfahren, bei denen solche mittleren Druckniveaus realisiert werden, können auch Biokomponenten, die an solche mittleren Niveaus adaptiert sind, d. h. dort ein funktionelles Optimum aufweisen, eingesetzt werden. Geeignete Herkunftsorganismen für solche „mitteldruck-optimierten” Biokomponenten können beispielsweise aus Tiefen, die den jeweiligen Druckbereichen entsprechen, z. B. 1000 bis 3000 m für Drücke von 10 bis 30 MPa, gewonnen werden.In the methods of the invention, intermediate states can also be defined via MP (average pressure levels between HP and NP) and systems with multiple pressure states, e.g. Tristate or multistate (HP, MP1, MP2, ..., NP). In particular, for systems and methods in which such intermediate pressure levels are realized, biocomponents adapted to such intermediate levels, i. H. There have a functional optimum, are used. Suitable organisms of origin for such "medium-pressure-optimized" biocomponents can, for example, from depths corresponding to the respective pressure ranges, for. B. 1000 to 3000 m for pressures of 10 to 30 MPa, are obtained.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren und den dabei verwendeten Zusammensetzungen werden die hochdruck-optimierten Biokomponenten typischerweise ein funktionelles Optimum bei einem Druck im Bereich von etwa 11 bis 200 MPa, vorzugsweise von etwa 21 bis 200 MPa, bevorzugter von 30 bis 150 MPa, noch bevorzugter von 50 bis 120 oder 150 MPa, aufweisen und die niederdruck-optimierten Biokomponenten ein Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 20 MPa, vorzugsweise 1 bis 10 MPa, aufweisen.In the methods and compositions used herein, the high pressure optimized biocomponents typically have a functional optimum at a pressure in the range of about 11 to 200 MPa, preferably from about 21 to 200 MPa, more preferably from 30 to 150 MPa, even more preferably 50 up to 120 or 150 MPa, and the low-pressure optimized biocomponents have an optimum at one Pressure in the range of 0.1 to 20 MPa, preferably 1 to 10 MPa.

Eine Mischung von hochdruck-optimierten Biokomponenten und niederdruck-optimierten Biokomponenten kann beispielsweise Komponenten mit einem funktionellen Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 10 MPa oder 1 bis 10 MPa und Komponenten mit einem funktionellen Optimum bei einem Druck im Bereich von 11 bis 200 MPa umfassen oder kann Komponenten mit einem funktionellen Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 20 MPa und Komponenten mit einem funktionellen Optimum bei einem Druck im Bereich von 21 bis 200 MPa, z. B. 30–200 MPa oder 50–120 MPa, umfassen. Insbesondere bei Systemen und Verfahren, bei denen mehrere stabile Druckzustände realisiert werden sollen, können auch noch Biokomponenten mit einem funktionellen Optimum bei einem mittleren Druck zwischen dem jeweiligen „Niederdruck” und „Hochdruck” eingesetzt werden.For example, a blend of high pressure optimized biocomponents and low pressure optimized biocomponents may include components having a functional optimum at a pressure in the range of 0.1 to 10 MPa or 1 to 10 MPa and components having a functional optimum at a pressure in the range of 11 to 200 MPa or may include components having a functional optimum at a pressure in the range of 0.1 to 20 MPa and components having a functional optimum at a pressure in the range of 21 to 200 MPa, e.g. 30-200 MPa or 50-120 MPa. In particular, in systems and methods in which a plurality of stable pressure conditions to be realized, even biocomponents with a functional optimum at an average pressure between the respective "low pressure" and "high pressure" can be used.

Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren grundsätzlich druckgesteuert wird, kann es in bestimmten Ausführungsformen vorteilhaft sein, zusätzlich bei verschiedenen Temperaturen zu arbeiten und gegebenenfalls eine zusätzliche Temperatursteuerung vorzunehmen.Although the method according to the invention is basically pressure-controlled, it may be advantageous in certain embodiments to additionally operate at different temperatures and optionally to perform an additional temperature control.

Wie bereits oben erwähnt, wird in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, insbesondere zur Durchführung mindestens einer (bio)chemischen Reaktion, eine Zusammensetzung von Komponenten verwendet, die eine Kombination von hochdruck-optimierten und niederdruck-optimierten Biokomponenten, welche nebeneinander oder räumlich getrennt voneinander vorliegen können, umfasst.As already mentioned above, in the method of the present invention, in particular for carrying out at least one (bio) chemical reaction, a composition of components is used which comprises a combination of high-pressure optimized and low-pressure optimized biocomponents which are present side by side or spatially separated from one another can, includes.

Bei den erfindungsgemäßen Verfahren und den dabei verwendeten Zusammensetzungen werden die hochdruck-optimierten Biokomponenten typischerweise ein funktionelles Optimum bei einem Druck im Bereich von etwa 11 bis 200 MPa, vorzugsweise von etwa 21 bis 200 MPA, bevorzugter 30 bis 200 MPa, noch bevorzugter von 50 bis 120 MPa, und die niederdruck-optimierten Biokomponenten ein Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 20 MPa, vorzugsweise 1 bis 10 MPa, aufweisen.In the methods of the invention and the compositions used therein, the high pressure optimized biocomponents typically have a functional optimum at a pressure in the range of about 11 to 200 MPa, preferably about 21 to 200 MPa, more preferably 30 to 200 MPa, even more preferably 50 to 120 MPa, and the low-pressure optimized biocomponents have an optimum at a pressure in the range of 0.1 to 20 MPa, preferably 1 to 10 MPa.

Diese Biokomponenten sind vorzugsweise aus der Gruppe aus biologischen Makromolekülen, Molekülaggregaten, Organellen, Zellen, Zellmembranen oder Zelllysaten ausgewählt. Die Biokomponenten können grundsätzlich alle Zellbestandteile und biologische Materialien umfassen, die an einer biochemischen Reaktion beteiligt sein können und umfassen insbesondere biologische Katalysatoren, z. B. Enzyme und Coenzyme, Membrankomponenten, Nukleinsäuren, Proteine oder Zucker.These biocomponents are preferably selected from the group of biological macromolecules, molecular aggregates, organelles, cells, cell membranes or cell lysates. The biocomponents may in principle comprise all cell constituents and biological materials which may be involved in a biochemical reaction and in particular include biological catalysts, e.g. As enzymes and coenzymes, membrane components, nucleic acids, proteins or sugars.

Vorzugsweise stammen die hochdruck-optimierten Biokomponenten der Zusammensetzung von einem Tiefseeorganismus oder einer daraus erhaltenen Zellkultur.The high-pressure-optimized biocomponents of the composition are preferably derived from a deep-sea organism or a cell culture obtained therefrom.

Als geeignete Tiefseeorganismen kommen grundsätzlich alle Organismen aus Tiefen von mehr als 1000 m, vorzugsweise mehr als 2000 m, bevorzugter mehr als 3000 m, noch bevorzugter mehr als 5000 m, insbesondere einem Bereich von 5000–10.000 m, in Frage. Organismen aus Tiefen von mehr als 5000 m werden aus den oben angeführten Gründen in der Regel obligat barophil sein. Geeignete Organismen umfassen sowohl Makroorganismen (Tiere, Pflanzen, allgemein Vielzeller) als auch Mikroorganismen (insbesondere Archaebakterien, Bakterien und Hefen). Mikroorganismen werden in der Regel bevorzugt sein, da diese besonders robust extreme Bedingungen tolerieren und leichter lebend zu gewinnen und zu kultivieren sind.As suitable deep-sea organisms, in principle, all organisms from depths of more than 1000 m, preferably more than 2000 m, more preferably more than 3000 m, more preferably more than 5000 m, in particular a range of 5000-10,000 m in question. Organisms from depths greater than 5,000 meters will, as a rule, be obligately barophilic for the reasons given above. Suitable organisms include both macroorganisms (animals, plants, generally multicellular) and microorganisms (especially archaebacteria, bacteria and yeasts). As a rule, microorganisms will be preferred because they are particularly robust and tolerate extreme conditions and are easier to grow and cultivate alive.

Einige nicht-beschränkende Beispiele für geeignete Organismen und deren Herkunftsorte sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle 1 Bezeichnung Tiefe Ort des Vorkommens Seegurke (Holothuroidea) 10.911 m Marianengraben, westl. Pazifik Abyssobrotula Galathea 9.600 m Marianengraben, westl. Pazifik Gießkannenschwamm (Euplectella Aspergillum) 5.000 m Westlicher Pazifik Versch. Mikroorganismen, Hefen und Bakterien 10.897 m Marianengraben, westl. Pazifik Fadenwurm (Nematode) 5.000 m Indischer Ozean Garnelenartige Krustentiere (Amphipoden) 10.000 m Marianengraben, westl. Pazifik Versch. Krabben, Würmer und Spuren von Holothurien (Seewalzen oder Seegurken) sowie 30 cm Rattenschwanzfisch (Macrouridae). 5.000 m Atlantik, westl. d. kapv. Ins. Some non-limiting examples of suitable organisms and their places of origin are listed in the following table. Table 1 description depth Place of occurrence Sea cucumber (Holothuroidea) 10,911 m Mariana Trench, west Pacific Abyssobrotula galathea 9,600 m Mariana Trench, west Pacific Watering can sponge (Euplectella aspergillum) 5,000 m Western Pacific Misc. Microorganisms, yeasts and bacteria 10,897 m Mariana Trench, west Pacific Roundworm (nematode) 5,000 m Indian Ocean Shrimp-like crustaceans (amphipods) 10,000 m Mariana Trench, west Pacific Misc. Crabs, worms and traces of Holothuria (sea or sea cucumbers) and 30 cm rat tailed fish (Macrouridae). 5,000 m Atlantic Ocean, west d. kapv. Ins.

Geeignete Normaldruck- oder Niederdruckorganismen umfassen ebenfalls sowohl Makroorganismen (Tiere, Pflanzen, allgemein Vielzeller) als auch Mikroorganismen, insbesondere Archaebakterien, Bakterien und Hefen. Suitable normal-pressure or low-pressure organisms also include both macroorganisms (animals, plants, generally multicellular) and microorganisms, in particular archaebacteria, bacteria and yeasts.

Bei der Herstellung der Zusammensetzungen können z. B. Gemische aus HP- und NP-Fraktionen, gewonnen aus Zellen von HP- und NP-Organismen oder in vitro-Zellkulturen Verwendung finden. Die Zusammensetzungen können auch durch Ersatz von einer oder mehreren Komponenten einer NP-Fraktion durch HP-Komponenten oder Ersatz von einer oder mehreren Komponenten einer HP-Fraktion durch NP-Komponenten gebildet werden.In the preparation of the compositions may, for. For example, mixtures of HP and NP fractions obtained from cells of HP and NP organisms or in vitro cell cultures can be used. The compositions may also be formed by replacement of one or more components of an NP fraction with HP components or replacement of one or more components of an HP fraction with NP components.

In einer Ausführungsform werden HP- und NP-Zelllysate oder aus diesen hergestellte Fraktionen für die Biosynthese genutzt (ausführlicher im folgenden Abschnitt „zellfreie Biosynthese” beschrieben).In one embodiment, HP and NP cell lysates or fractions made therefrom are used for biosynthesis (described in more detail in the following section "Cell-free biosynthesis").

In einer speziellen Ausführungsform umfasst die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Zusammensetzung vollständige oder partielle Fusionen von hochdruck-optimierten und niederdruck-optimierten Zellen. „Partiell” bedeutet in diesem Zusammenhang die Verschmelzung von lediglich Membrankomponenten einer Zellspezies mit Membrankomponenten oder ganzen Zellen der anderen Zellspezies.In a specific embodiment, the composition used in the method according to the invention comprises complete or partial fusions of high-pressure-optimized and low-pressure-optimized cells. "Partial" in this context means the fusion of only membrane components of a cell species with membrane components or whole cells of the other cell species.

Ein weiterer verwandter Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung und/oder zum Betrieb eines durch Druck steuerbaren Systems.Another related aspect of the invention relates to the use of the method of the invention for the manufacture and / or operation of a pressure-controllable system.

Spezieller handelt es sich bei dem durch Druck steuerbaren System um ein System zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen, ein Transportsystem, ein System zur Erzeugung, Speicherung oder Umwandlung von Energie, ein Membransystem, einen Sensor, oder einen Schalter.More specifically, the pressure-controllable system is a system for storing and processing information, a transport system, a system for generating, storing or converting energy, a membrane system, a sensor, or a switch.

In einer grundsätzlichen Ausführungsform beinhaltet dieses System, das eine Kombination von hochdruck-optimierten und niederdruck-optimierten Biokomponenten enthält, mehrere einstellbare Druckzustände, wobei die verschiedenen Druckzustände jeweils einen weiteren Parameter des Systems bestimmen.In a basic embodiment, this system, which includes a combination of high pressure optimized and low pressure optimized biocomponents, includes a plurality of adjustable pressure states, wherein the different pressure states each determine a further parameter of the system.

Dieser weitere Systemparameter kann beispielsweise eine bestimmte Ladung oder Konformation, einen bestimmten Informations- oder Energiezustand etc. von Systemkomponenten umfassen oder repräsentieren.For example, this additional system parameter may include or represent a particular charge or conformation, a particular information or energy state, etc. of system components.

Ein noch weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen druckgesteuerten Verfahrens, insbesondere eines erfindungsgemäßen druckgesteuerten Biosyntheseverfahrens.Yet another aspect of the present invention relates to a device for carrying out the pressure-controlled method according to the invention, in particular a pressure-controlled biosynthesis method according to the invention.

Eine solche allgemeine Vorrichtung umfasst mindestens eine Synthesekammer (1), ein Druckerzeugungssystem (2), mindestens einen Zufluss (3), und mindestens einen Abfluss (4).Such a general device comprises at least one synthesis chamber ( 1 ), a pressure generating system ( 2 ), at least one inflow ( 3 ), and at least one outflow ( 4 ).

Weiterhin wird die Vorrichtung typischerweise noch Sensoren (5), und eine Einrichtung (6) zur Erfassung und Verarbeitung der von den Sensoren erhaltenen Daten umfassen.Furthermore, the device is typically still sensors ( 5 ), and a facility ( 6 ) for detecting and processing the data received from the sensors.

In einer spezielleren Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Synthesekammer zwei verstellbare Wände (11, 13), deren Abstand mit einem Abstandssystem (12) regelbar ist, das Druckerzeugungssystem (2) zwei Verstellelemente (24, 25), die an einem Spannungsgenerator (211) angeschlossen sind, sowie einen stabilen Rahmen (212) als Gegenlager. Vorzugsweise handelt es sich bei den Verstellelementen um Piezoelemente. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass mindestens eine Wand der Synthesekammer transparent ist, z. B. eine druckfeste Glasplatte darstellt, um z. B. eine leichte Beobachtung der Synthesereaktion zu gestatten.In a more specific embodiment of the device, the synthesis chamber comprises two adjustable walls ( 11 . 13 ), whose distance with a distance system ( 12 ), the pressure generating system ( 2 ) two adjusting elements ( 24 . 25 ) connected to a voltage generator ( 211 ) and a stable frame ( 212 ) as an abutment. Preferably, the adjusting elements are piezoelements. It is also preferred that at least one wall of the synthesis chamber is transparent, e.g. B. represents a flameproof glass plate to z. B. allow easy observation of the synthesis reaction.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung bilden die verstellbaren Wände die untere und die obere Begrenzung der Synthesekammer und der maximale Abstand der verstellbaren Wände ist geringer als die Länge und Breite der verstellbaren Wände.In a preferred embodiment of the device, the adjustable walls form the lower and upper boundaries of the synthesis chamber and the maximum distance of the adjustable walls is less than the length and width of the adjustable walls.

7 zeigt beispielhaft eine solche Synthesekammer mit den Grundelementen zur Druckerfassung und -steuerung. Die eigentliche Kammer besteht aus zwei Platten (71, 73), die auch dicke Glasplatten sein können, so dass die Reaktion ggf. beobachtet bzw. Licht eingestrahlt werden kann. Diese Platten werden über ein Abstandssystem (72) auf Distanz gehalten. Die Druckerzeugung in der mehr flachen als hohen Synthesekammer (76) erfolgt über zwei Piezoverstellelemente (74, 75), die an einen Spannungsgenerator (711) angeschlossen sind. Werden sie mit einer Spannung beaufschlagt, drücken sie die Platten (71, 73) der Synthesekammer zusammen, wodurch im geschlossenen System der erforderlich hohe Druck erzeugt wird. In einer stabilen Rahmen (712) finden diese Elemente ihr Gegenlager. In der Reaktionskammer können sich noch Sensoren (79, Druck, Temperatur, Reaktantenkonzentrationen etc.) befinden, die über eine Elektronik (710) ausgelesen und die Daten verarbeitet werden. Dies kann nicht nur zum Zwecke der Überwachung sondern auch aus Regelgründen erfolgen. Insbesondere wird die Änderung des Druckes auf diese Weise programmierbar und dem Stand der Reaktion anpassbar. Die Synthesekammer verfügt über Zuflüsse (77a und b) sowie Abflüsse (78), wobei hier beispielhaft zwei Zuflüsse (z. B. zum Mischen der HP- und NP-Recktanten) und ein Ausfluß dargestellt sind. Die Zu- und Abflüsse sind mit Hochdruckventilen (713) öffen- und schließbar. 7 shows by way of example such a synthesis chamber with the basic elements for pressure detection and control. The actual chamber consists of two plates ( 71 . 73 ), which can also be thick glass plates, so that the reaction may be observed or light can be radiated. These plates are separated by a spacer system ( 72 ) kept at a distance. The pressure generation in the more shallow than high synthesis chamber ( 76 ) takes place via two piezo displacement elements ( 74 . 75 ) connected to a voltage generator ( 711 ) are connected. If they are subjected to a voltage, push the plates ( 71 . 73 ) of the Synthesis chamber together, creating the required high pressure in the closed system. In a stable framework ( 712 ) find these elements their counter bearing. In the reaction chamber can still sensors ( 79 , Pressure, temperature, reactant concentrations, etc.), which are controlled by electronics ( 710 ) and the data is processed. This can be done not only for the purpose of monitoring but also for rule reasons. In particular, the change in pressure in this way becomes programmable and adaptable to the state of the reaction. The synthesis chamber has inflows ( 77a and b) and outflows ( 78 ), two flows (for example for mixing the HP and NP reactants) and one outflow being shown here by way of example. The inflows and outflows are with high pressure valves ( 713 ) can be opened and closed.

Mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können Einzelreaktionen oder Reaktionsfolgen, vor allem auch in zyklischer Weise, ausgeführt werden und dabei Drucksprünge oder -änderungen im Bereich von typischerweise 0,1 bis 200 MPa vorgenommen werden. Die Druckverläufe können vorgegeben und überwacht werden und können beliebigen Funktionen folgen (sinusförmiger Verlauf, Rechteck oder Rampen, Trapezverläufe etc.). Entsprechende Kammern sollten keine Gasräume enthalten und sind weitestgehend geschlossen auszuführen, zumindest, wenn die Hochdruckreaktionen ablaufen.With the devices according to the invention, individual reactions or reaction sequences, above all also in a cyclical manner, can be carried out and pressure jumps or changes in the range of typically 0.1 to 200 MPa can be carried out. The pressure curves can be preset and monitored and can follow any functions (sinusoidal progression, rectangle or ramps, trapezoidal curves, etc.). Corresponding chambers should not contain any gas spaces and should be carried out as far as possible closed, at least when the high-pressure reactions take place.

Solche Vorrichtungen eignen sich sowohl für Mikrosysteme (wie z. B. typischerweise für PCR-Reaktionen eingesetzt) als auch für große Reaktionsvolumina im Bereich von Millilitern bis Kubikmetern, da Druck ein intrinsischer Parameter ist, der sich sehr rasch im gesamten Volumen einstellt (im Unterschied zur Temperatur, der Ionenkonzentration oder dem pH-Wert). Dies stellt einen zusätzlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Verfahren dar.Such devices are suitable both for microsystems (such as typically used for PCR reactions) and for large reaction volumes in the range of milliliters to cubic meters, since pressure is an intrinsic parameter that adjusts very rapidly throughout the volume (in difference to the temperature, the ion concentration or the pH). This is an additional advantage over conventional methods.

Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures

1 Schematische Darstellung des Steuerung einer Reaktion mit verschiedenen Druckzuständen 1 Schematic representation of the control of a reaction with different pressure states

2 Schema der Herstellung einer Zusammensetzung mit hochdruck- und niederdruck-optimierten Biokomponenten 2 Scheme of preparing a composition with high pressure and low pressure optimized biocomponents

3 Schematische Darstellung einer druckgesteuerten PCR 3 Schematic representation of a pressure-controlled PCR

4 Schematische Darstellung eines Tristate-Grundelements für einen Biocomputer 4 Schematic representation of a tristate primitive for a biocomputer

5 Schematische Darstellung eines Membransystems mit Niederdruck- und Hochdruckkomponenten 5 Schematic representation of a membrane system with low pressure and high pressure components

6 Schematische Darstellung einer druckgesteuerten Biobatterie 6 Schematic representation of a pressure-controlled biobattery

7 Schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Synthesevorrichtung mit Drucksteuerung 7 Schematic representation of a synthesis device according to the invention with pressure control

Im Folgenden werden verschiedene Anwendungsbeispiele beschrieben, welche die vorliegende Erfindung näher erläutern und das breite Spektrum der unterschiedlichen Nutzungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen aufzeigen, jedoch nicht darauf beschränken sollen.In the following, various application examples are described, which explain the present invention in more detail and show the broad spectrum of the different possibilities of use of the methods and devices according to the invention, but should not be limited thereto.

Die Anwendungsbeispiele basieren auf den folgenden Grundannahmen:

1. Alle Recktanten (z. B. Makromoleküle, Molekülcluster, Organellen, Zellen) halten sowohl HP- als auch NP-Belastung aus und sind reversibel in ihren Veränderungen.
2. Ein HP-Reaktant bleibt ein HP-Reaktant, auch wenn er eine Reaktion durchläuft und verändert wird.
3. Gleiches gilt für NP-Recktanten.
4. Folgendes Verhalten der Reaktionsgeschwindigkeitskonstanten wird angenommen: – Ein NP-Reaktant hat bei HP eine sehr geringe Reaktionsgeschwindigkeit. – Ein NP-Reaktant hat bei NP seine maximale Reaktionsgeschwindigkeit. – Ein HP-Reaktant hat bei NP eine sehr geringe Reaktionsgeschwindigkeit. – Ein HP-Reaktant hat bei HP seine maximale Reaktionsgeschwindigkeit. – Ein NP-Reaktant hat bei MP (zwischen HP und NP liegender Druck) eine verringerte Reaktionsgeschwindigkeit, er reagiert jedoch noch. – Ein HP-Reaktant hat bei MP eine verringerte Reaktionsgeschwindigkeit, er reagiert jedoch noch.

The application examples are based on the following basic assumptions:

1. All reactants (eg macromolecules, molecular clusters, organelles, cells) are able to withstand both HP and NP exposure and are reversible in their alterations.
2. An HP reactant will remain an HP reactant, even if it undergoes a reaction and is changed.
3. The same applies to NP reactants.
4. The following behavior of the reaction rate constants is assumed: - An NP reactant has a very low reaction rate at HP. - An NP reactant has its maximum reaction rate at NP. - An HP reactant has a very low reaction rate in NP. - An HP reactant has its maximum reaction rate at HP. - An NP reactant has a reduced reaction rate at MP (pressure between HP and NP), but it still reacts. - An HP reactant has a reduced reaction rate in MP, but it still reacts.

Mit diesen Grundannahmen werden im Folgenden idealisierte und vereinfachte Systeme beschrieben. Es gibt mit hoher Wahrscheinlichkeit auch Recktanten, die nach einer Reaktion von HP- in MP- oder sogar in NP-Reaktanden übergehen, weil sie in der neuen Konfiguration weniger druckabhängig sind. Es wird auch Recktanten geben, die kaum oder vollständig druckabhängig sind. Solche Recktanten könnten für komplexere und eventuell noch wirkungsvollere Anwendungen ebenfalls vorteilhaft eingesetzt werden.These basic assumptions describe idealized and simplified systems below. There is also a high probability of reactants being released after a reaction of HP- in MP- or even into NP reactants because they are less pressure dependent in the new configuration. There will also be reactants that are barely or completely pressure dependent. Such reactants could also be used to advantage for more complex and potentially more effective applications.

Biokomponenten, welche als Recktanten den obigen Grundannahmen bzw. Voraussetzungen entsprechen, können aus hochdruck- bzw. niederdruck-adaptierten Organismen gewonnen, in Routineverfahren getestet und dann eingesetzt werden.Biocomponents which correspond to the above basic requirements or preconditions as reactants can be obtained from high-pressure or low-pressure adapted organisms, tested in routine methods and then used.

Die für die folgenden Ausführungsbeispiele typischerweise nutzbaren Druckbereiche sind:

HP: – Hochdruck (zwischen 50 und 200 MP, 500 bis 2000 atm)
MP: – Mitteldruck (zwischen 10 und 50 MPa, 100 bis 500 atm)
NP: – Niederdruck (zwischen 0,1 und 10 MPa, 1 bis 100 atm).

The typically usable pressure ranges for the following embodiments are:

HP: - high pressure (between 50 and 200 MP, 500 to 2000 atm)
MP: - medium pressure (between 10 and 50 MPa, 100 to 500 atm)
NP: - Low pressure (between 0.1 and 10 MPa, 1 to 100 atm).

Dabei handelt es sich jedoch nur um beispielhafte und generalisierte Bereiche, die im Einzelfall in ihren Grenzen verschoben und auf die jeweiligen Recktanten abgestimmt festgelegt werden müssen und können. Es ist auch zu berücksichtigen, dass bestimmte Biokomponenten (z. B. solche aus Tiefseeorganismen, welche aus einer relativ mäßigen Tiefe von etwa 3000 m geborgen wurden) voraussichtlich weder bei HP noch NP sondern nur bei MP ihre größte Aktivität aufweisen werden. Auch mit solchen Komponenten lassen sich analoge, in mehreren Druckstufen gestaffelte Reaktionssysteme entwickeln.These are, however, only exemplary and generalized areas, which in individual cases have to be postponed within their limits and can and must be determined in accordance with the respective reactants. It should also be noted that certain biocomponents (eg those from deep-sea organisms recovered from a relatively moderate depth of about 3,000 m) are unlikely to have the greatest activity either in HP or NP but only in MP. Such components can also be used to develop analogous reaction systems staggered in several pressure stages.

Zellfreie SyntheseCell-free synthesis

In den letzten 10 Jahren hat sich das Feld der zellfreien Biosynthese rapid entwickelt. Dazu werden Zelllysate benutzt, gewonnen aus Hefen, E.coli, aber auch höheren Zellen, die durch geeignete Handhabung (niedrige Temperaturen, pH-Änderung, Energie-Verarmung oder Blockierung des Stoffwechsels) reaktionsfähig gehalten werden. Hebt man diese Blockierungen oder Reduzierungsmaßnahmen auf, so reagiert das System durch, um im thermodynamischen Gleichgewicht zu enden. Diese letzte geordnete Reaktionskette wird genutzt, in dem man ein oder mehre mRNA-Typen in großer Menge zugibt, deren codierten Proteine dann in dem Zelllysat produziert werden. Auf diesem Wege wurden bereits mehrere hundert Proteintypen synthetisiert, die durchaus auch toxische Eigenschaften aufweisen können, da keine lebende Zelle zur Synthese benutzt wird. Das Prinzip ist allerdings bisher von einer Vielzahl technologischer Schwierigkeiten begleitet. Das sind einmal der schnelle Verfall der Reaktionsfreudigkeit des Zelllysats, zum anderen die mangelnde Kontrolle der Reaktionen, wenn diese einmal in Gang gekommen sind, letztendlich auch die Einmaligkeit der Nutzung. Des Weiteren bereitet die Skalierung hin zu größeren Volumina und Mengen der Produkte Schwierigkeiten. Insbesondere wäre es sehr hilfreich, wenn man die Inaktivierung/Aktivierung der Zelllysate und entsprechend komplexer Reaktionsgemische auf einfache Weise steuern könnte. Ähnlich kurzlebigen Isotopen ist die Handhabung der Reaktionsgemische nur zeitlich sehr begrenzt möglich und daher jede Art von Steuerung und Synchronisation willkommen. Dies ist erfindungsgemäß über die Beimengung oder auch komplette Nutzung von Komponentenketten oder Zelllysaten aus hochdruckadaptierten Tiefseeorganismen gelöst.In the last 10 years, the field of cell-free biosynthesis has developed rapidly. For this cell lysates are used, obtained from yeasts, E. coli, but also higher cells, which are held by suitable handling (low temperatures, pH change, energy depletion or blockage of metabolism) responsive. If these blockages or reduction measures are removed, the system reacts to end in thermodynamic equilibrium. This last ordered reaction chain is utilized by adding one or more mRNA types in large quantities, the encoded proteins of which are then produced in the cell lysate. In this way, several hundred types of protein have been synthesized, which may well have toxic properties, since no living cell is used for synthesis. However, the principle has so far been accompanied by a multitude of technological difficulties. Firstly, the rapid decline in the responsiveness of the cell lysate, and second, the lack of control of the reactions once they have started, and finally, the uniqueness of their use. Furthermore, scaling to larger volumes and quantities of products is causing difficulties. In particular, it would be very helpful to be able to easily control the inactivation / activation of the cell lysates and correspondingly complex reaction mixtures. Similar to short-lived isotopes, the handling of the reaction mixtures is limited in time and therefore welcome any kind of control and synchronization. This is achieved according to the invention via the addition or complete use of component chains or cell lysates from high-pressure-adapted deep-sea organisms.

Im einfachsten Fall nutzt man ein Zelllysat aus einem Tiefseeorganismus, in dem dann sehr viele oder alle Komponenten HP-optimiert sind. Das kann auch eine aus einem solchen Organismus oder durch Adaptierung erzeugte in vitro Zellkultur sein, die unter Hochdruck kultiviert wird und das Zellplasmalysat liefert. Es ist bekannt, dass insbesondere die DNA-bezogenen Reaktionsabläufe sehr stark druckabhängig sind. Das bedeutet, bei einem Organismus aus 6000–10000 m Tiefe, liegt der optimale Arbeitsbereich der makromolekularen Komponenten bei einem Druck von 60 bis 100 MPa (600 bis 1000 atm). Für viele dieser Reaktionskomponenten ist deren Reaktionsfähigkeit bei Normaldruck auf wenige Prozent oder darunter reduziert bzw. komplett unmöglich. Ungeachtet dessen tolerieren sie eine derartige Druckänderung über zwei Dekaden nahezu reversibel für bestimmte Zeiten (Stunden bis Tage). Somit kann ein derartiges Zelllysat, ein reaktives Vielkomponentensystem oder auch ein Zellorganellensystem über einfachen Druckwechsel zwischen z. B. 80 MPa und 0,1 MPa an- und abgeschaltet werden (2A). Wird kein so großer Druckwechsel vorgenommen, lassen sich die Reaktionen auch graduell manipulieren. Dies wäre z. B. der Fall, wenn man im MP-Bereich arbeitet. Zusätzlich kann noch über die Temperatur gesteuert werden. Tiefseeorganismen sind in der Regel an sehr konstante Temperaturen bei etwa 4°C angepasst. Da Änderungen im Grad-Bereich oder darunter liegen, sind sie weniger stark temperaturtolerant als Vergleichsmoleküle, Organellen etc., die aus Oberflächenorganismen isoliert wurden. Die Temperatur (geringere oder höhere) kann in diesem Fall zusätzlich zur Anschaltung oder Abschaltung der Reaktionen verwendet werden.In the simplest case one uses a cell lysate from a deep-sea organism, in which then many or all components are HP-optimized. This can also be an in vitro cell culture produced from such an organism or by adaptation, which is cultured under high pressure and delivers the cell plasma malysate. It is known that, in particular, the DNA-related reaction processes are very strongly pressure-dependent. That is, in an organism of 6000-10000 m depth, the optimum working range of the macromolecular components is at a pressure of 60 to 100 MPa (600 to 1000 atm). For many of these reaction components, their reactivity at atmospheric pressure is reduced to a few percent or less or completely impossible. Regardless, they tolerate such pressure change over two decades almost reversibly for certain times (hours to days). Thus, such a cell lysate, a reactive multicomponent system or a cell organelle system via simple pressure change between z. B. 80 MPa and 0.1 MPa on and off ( 2A ). If no such large pressure change is made, the reactions can also be manipulated gradually. This would be z. As is the case when working in the MP area. In addition, it is still possible to control the temperature. Deep-sea organisms are usually adapted to very constant temperatures around 4 ° C. Since changes are in the degree range or less, they are less temperature tolerant than comparative molecules, organelles, etc. isolated from surface organisms. The temperature (lower or higher) can be used in this case in addition to connecting or disconnecting the reactions.

Im Fall der Nutzung eines HP-Zelllysats kann dessen Reaktionsfähigkeit neben den bereits genutzten Prinzipen nahezu vollständig über die Druckänderung gesteuert werden. Bei NP ist das System reaktionsblockiert und beginnt zu arbeiten, wenn der Druck sprungweise oder langsam erhöht wird (HP-Modus). Auf diese Weise lassen sich Zelllysate an unerwünschter oder zu früher Reaktion hindern. In the case of using an HP cell lysate, its reactivity, in addition to the principles already used, can be almost completely controlled by the pressure change. In the case of NP, the system is blocked in response and starts to work when the pressure is increased in steps or slowly (HP mode). In this way, cell lysates can be prevented from unwanted or early reaction.

Weitere Ausführungsformen stellen verschiedenste Zumischungen von HP-Komponenten isoliert aus Tiefseeorganismen zu Zelllysaten aus NP-Organismen dar. Dies können z. B. isolierte Komponenten sein, die für die Energiebereitstellung im Zelllysat erforderlich sind (z. B. ATP/ADP, NADPH/NADH, aber auch Organellen, wie Mitochondrien oder lebende Zellen, hier mit A_i bezeichnet) oder den Energietransport betreffen (2B). Des Weiteren sind Mischungen kompletter Zelllysate aus HP- und NP-Organismen in den verschiedensten prozentualen Anteilen anwendbar. In derartigen Gemischen ließen sich verschiedene Reaktionsgeschwindigkeiten einstellen, so dass beispielsweise die Akkumulation eines oder mehrerer Zwischenprodukte möglich wird (2C). Eine weitere Ausführungsform stellt die Isolation von bestimmten HP-Komponenten aus einem HP-Zelllysat und die Entfernung oder zumindest Verarmung dieser Komponenten im NP-Lysat dar. Auf diese Weise können eine oder mehrer Reaktionen über Druckänderungen gestoppt und angefahren werden (1D). Letztendlich kann der Ersatz einer oder mehrere Komponenten sowohl im HP-Zelllysat als auch im NP-Zelllysat vorgenommen werden. In diesem Fall lassen sich eine Vielzahl von zyklischen Reaktionen durchführen. In analoger Weise lassen sich HP- und NP-Komponenten aus den jeweiligen Zelllysaten isolieren und anderen Grundmedien, die Zelllysate, oder auch künstlichen Kompositionen sein können, zumischen (2E). Auf diesem Wege lassen sich Gemische beliebig zusammenstellen, in denen die Recktanten frei nach der Vorauswahl HP- oder NP- aktiv sind, was vielfältig schaltbare Vorgänge in Bioreaktoren erlaubt.Further embodiments represent various admixtures of HP components isolated from deep-sea organisms to cell lysates from NP organisms. B. isolated components that are required for the energy supply in the cell lysate (eg ATP / ADP, NADPH / NADH, but also organelles, such as mitochondria or living cells, here with A _i ) or the energy transport concern ( 2 B ). Furthermore, mixtures of complete cell lysates from HP and NP organisms in a variety of percentages are applicable. In such mixtures, different reaction rates could be set, so that, for example, the accumulation of one or more intermediates is possible ( 2C ). A further embodiment represents the isolation of certain HP components from an HP cell lysate and the removal or at least depletion of these components in the NP lysate. In this way, one or more reactions can be stopped and started via pressure changes ( 1D ). Finally, replacement of one or more components in both HP cell lysate and NP cell lysate can be accomplished. In this case, a variety of cyclic reactions can be performed. In an analogous manner, HP and NP components can be isolated from the respective cell lysates and mixed with other basic media, which may be cell lysates or even artificial compositions ( 2E ). In this way mixtures can be put together arbitrarily, in which the reactants are free after the preselection HP- or NP- active, which allows various switchable processes in bioreactors.

Vorteile der Druckmodulation sind des Weiteren die Synchronisation von Reaktionsfolgen sowie das Stoppen und Anfahren derselben, beispielsweise zum Auskoppeln von Reaktionsprodukten aus dem Reaktionszyklus.Further advantages of the pressure modulation are the synchronization of reaction sequences as well as the stopping and starting of same, for example for decoupling reaction products from the reaction cycle.

Druck-PCRPressure-PCR

Ein weiteres spezielleres Ausführungsbeispiel stellen PCR-ähnliche Systeme in druckgesteuerter Form dar. Zwischen den einzelnen Stufen, Annealing, Polymerase-Reaktion und Einzelstrangerzeugung, werden keine Temperaturänderungen mehr vorgenommen, sondern lediglich der Druck wie oben beschrieben geändert. Eine Variante ist in 3 schematisch dargestellt. Wird ein HP-Primer und eine HP-Polymerase sowie eine NP-Helicase verwendet, kann der gesamte Duplizierungszyklus über periodische Druckänderungen gefahren werden. Dies setzt voraus, dass man das Aufschmelzen der Doppelstränge durch Erwärmen eliminiert, was durch das Einfügen der Helicase möglich ist. Zum Durchlaufen des Zyklus wird zyklisch von NP auf HP und zurück geschaltet. Da Druckänderungen technisch sehr leicht steuerbar sind und schnell erfolgen können, kann auch mit kleinsten Mengen oder zum anderen in großen Volumina gearbeitet werden. Gerade große Volumina sind für das Thermocycling problematisch.Another more specific embodiment is PCR-like systems in pressure controlled form. Between the individual steps, annealing, polymerase reaction and single strand production, no more temperature changes are made but only the pressure changed as described above. A variant is in 3 shown schematically. When using an HP primer and an HP polymerase as well as an NP helicase, the entire duplication cycle can be cycled over periodic pressure changes. This requires that one eliminates the melting of the double strands by heating, which is possible by inserting the helicase. To cycle through the cycle, it cycles from NP to HP and back. Since pressure changes are technically very easily controllable and can be done quickly, it is also possible to work with very small quantities or, secondly, in large volumes. Especially large volumes are problematic for thermocycling.

Biocomputerbiocomputer

Biocomputer auf der Basis von Makromolekülreaktionen, z. B. über DNA-Replikation, wurden bereits im Grundansatz experimentell demonstriert. Über die Verwendung von HP- und NP-Komponenten lassen sich a) logische Operatoren, b) Speichereinheiten als auch c) ein Grundtakt, mit dem die Reaktionen gestartet und gestoppt werden können, realisieren. In 4 ist das Prinzip eines derartigen Grundelements, eines Tristate-Elements, dargestellt. In einer Membran befinden sich hierfür in gleichem Verhältnis Ionentransporter für Anionen als auch für Kationen. Die einen sind HP- die anderen NP-aktiv. Wird dieses System mit HP beaufschlagt, wird die Membran stark positiv geladen, bei NP hingegen negativ. Dieses binäre Prinzip kann durch weitere Druckwerte dazwischen auf Tristate oder Multistate erweitert werden. Über Kaskadierung lassen sich Verstärkersysteme aufbauen.Biocomputers based on macromolecule reactions, e.g. B. via DNA replication, have already been experimentally demonstrated in the basic approach. By using HP and NP components, it is possible to realize a) logical operators, b) storage units as well as c) a basic cycle with which the reactions can be started and stopped. In 4 the principle of such a basic element, a tristate element, is shown. In a membrane, there are ion donors for anions as well as for cations in the same ratio. Some are HP- the others are NP-active. If this system is pressurized with HP, the membrane is strongly positively charged, in NP, however, negative. This binary principle can be extended to Tristate or Multistate by additional pressure values in between. Cascading can be used to build up amplifier systems.

Analog zu diesem Beispiel lassen sich weitere, im Prinzip alle für einen Biocomputer erforderlichen Grundelemente realisieren.Analogous to this example, further, in principle all necessary for a biocomputer basic elements can be realized.

Membrankompositionenmembrane compositions

Ein weiteres Anwendungsbeispiel stellen Membransysteme auf der Basis von Biomembranen aber auch künstlichen Lipid- oder Feststoffmembranen dar. In diese können sowohl HP- als auch NP-Makromoleküle der verschiedensten Funktionen eingebracht werden (5). Analog zum Bau von logischen Elementen, können auf diesem Weg sehr rasch schaltbare Sensorsystem (umschalten von einem Sensor auf den anderen, Transportsysteme (Transport der Substanzen A_i) oder auch Kombinationen aus Ionensystemen mit Sensor oder Transportsystemen aufgebaut werden. In diesem Zusammenhang ist vor allem die chemisch, elektrisch, optisch oder auch viral induzierte Fusion lebender Zellen eine Möglichkeit der Mischung beider Komponenten (HP und NP). Hierfür sind Pärchen, Triplets oder höhere Fusionsprodukte aus HP- und NP-Zellen möglich. Über das Verhältnis der Fusionspartner (HP zu NP) lassen sich Mischungsverhältnisse erzeugen. Auch wenn derartige Fusionsprodukte wahrscheinlich nicht langzeitstabil und lebensfähig sind, eignen sie sich doch für die Biosynthese und die zellfrei Biotechnologie.Another application example is membrane systems based on biomembranes as well as artificial lipid or solid membranes. In them both HP and NP macromolecules of various functions can be introduced ( 5 ). Analogous to the construction of logical elements, this way very quickly switchable sensor system (switch from one sensor to another, Transport systems (transport of substances A _i ) or combinations of ion systems with sensor or transport systems are constructed. In this context, especially the chemical, electrical, optical or viral induced fusion of living cells is a possibility of mixing both components (HP and NP). For this purpose, couples, triplets or higher fusion products of HP and NP cells are possible. The ratio of the fusion partners (HP to NP) can be used to create mixing ratios. Although such fusion products are unlikely to be long-term stable and viable, they are suitable for biosynthesis and cell-free biotechnology.

Energiequellenenergy sources

Nachteilig an biologischen Energiequellen ist der stets bei physiologischer Temperatur ablaufende Stoffwechsel. Insbesondere energiereiche Moleküle werden daher abgebaut oder in der Konzentration reduziert bzw. reagieren unerwünscht mit anderen Komponenten. Da man Biobatterien in einem breiten physiologischen Temperaturbereich benutzen möchte, wäre es hilfreich, bei Nichtnutzung der Energie, die Reaktionen zu stoppen. Zudem sollten die üblichen Lade- und Pflegeprozesse abgekoppelt werden können. Dies ist über die Verwendung von zyklischen HP/MP/NP-Reaktionselementen möglich. Nur wenn das System in einem dieser Modi oder einem permanenten Wechsel zwischen HP und NP oder auch MP betrieben wird, kann Energie entnommen werden. In 6 ist ein Beispiel einer auf solchen Komponenten beruhenden regenerierbaren Biobatterie formal gezeigt. Das System besteht aus drei Kompartimenten (I, II, III), die durch jeweils eine Membran voneinander getrennt sind (gepunktete vertikale Linien). In den Membranen befinden sich druckabhängige Transporter (T), die eine Komponente (A) vom Kompartiment I nach II und zurück, sowie eine Komponente (B) von Kompartiment I in III und zurück befördern können. Im Zentralraum (Kompartiment I) findet eine chemische oder lichtgetriebene zyklische HP-Reaktion statt. Die Komponente (A) bzw. (B) wird in einen geladenen Zustand überführt oder anderweitig angeregt, so dass sie Energie abgeben können. Dieses Kompartiment wird von Zeit zu Zeit neu mit Reaktantengemischen befüllt (chemisches Laden der Batterie). Nur bei HP werden die energiereichen oder geladenen Recktanten von I nach II bzw. III durch die Membran transportiert. Nur bei NP können sie in der energieärmeren Form (A, B) zurück transportiert werden. Die Auskopplung der Energie erfolgt in Kompartiment II und III jeweils über eine Reaktion (K) die eine NP-Charakteristik zeigt. Die Ladungsübergabe erfolgt letztendlich wie bekannt auf Elektroden (El. 1 und 2), an denen die Potentialdifferenz abgegriffen werden kann. Alle HP-Reaktionen sind mit hellen Pfeilen, alle NP-Reaktionen mit schwarzen Pfeilen gekennzeichnet. Im Einzelnen lassen sich die Folgenden Modi fahren:

a) „Laden” = HP: Nur die HP-Reaktionen laufen ab. Angeregtes A und angeregtes B werden im Kompartiment I gebildet und nach Kompartiment II bzw. III transportiert. Dort kann jedoch keine Auskopplung der Energie erfolgen. Folglich werden A* und B* in II und III angereichert, was einem Ladevorgang entspricht.
b) „Arbeitsbetrieb = MP oder zyklischer Wechsel zwischen HP und NP: Wechselt man beständig zwischen HP und NP oder wählt man MP, einen Mitteldruck an dem alle Reaktionen mit ausreichender Effektivität ablaufen, dann liefert das System Strom, regeneriert sich dazu noch gleichzeitig. Die Regeneration und der Transport der Komponenten speist sich aus dem eingebrachten Potential der Ausgangskomponenten. Eine Zelle muss bekanntlich von Zeit zu Zeit spaltbare Grundkomponenten aufnehmen und Abbauprodukte heraus transportieren. Dies ist in analoger Weise auch hier der Fall und durch die senkrechten breiten schraffierten Pfeile veranschaulicht. In diesem Modus laufen alle Prozesse ab, die Dauer der Energiebereitstellung ist optimal.
c) „Entladen” = NP: Betreibt man das System im NP-Modus, kann einmal der in den Kompartimenten II und III angereicherte Energieanteil mit maximaler Effizienz ausgekoppelt und an die Elektroden gebracht werden. Die Recktanten A und B werden auch zurück in das Kompartiment I transportiert. Alle anderen Vorgänge stehen jedoch. Dies entspricht einem einmaligen Entladen, allerdings mit besonders hoher Lastfähigkeit. Da die HP-Reaktanten A und B bei NP entladen werden, ist diese Reaktion bei NP nicht optimal. Da ggf. im System Reaktionswärme frei wird, ist dies für das Entladen einer Batterie mit hoher Kapazität sogar günstig (innere Kurzschlussfestigkeit).

A disadvantage of biological energy sources is always occurring at physiological temperature metabolism. In particular, high-energy molecules are therefore degraded or reduced in concentration or react undesirably with other components. Since you want to use bio-batteries in a wide physiological temperature range, it would be helpful to stop the reactions if you do not use the energy. In addition, the usual charging and care processes should be disconnected. This is possible through the use of cyclic HP / MP / NP reaction elements. Only if the system is operated in one of these modes or a permanent change between HP and NP or even MP, energy can be taken. In 6 An example of a regenerative bio-battery based on such components is formally shown. The system consists of three compartments (I, II, III) separated by a membrane (dotted vertical lines). The membranes contain pressure-sensitive transporters (T) which can carry one component (A) from compartment I to II and back and one component (B) from compartment I to III and back. In the central compartment (compartment I), a chemical or light-driven cyclic HP reaction takes place. The component (A) or (B) is transferred to a charged state or otherwise excited so that they can give off energy. This compartment is occasionally refilled with reactant mixtures (chemical charging of the battery). Only at HP, the high-energy or charged reactants are transported from I to II or III through the membrane. Only at NP, they can be transported back in the lower-energy form (A, B). The energy is extracted in compartments II and III via a reaction (K) which shows an NP characteristic. The transfer of charge is finally carried out as known on electrodes (El 1 and 2), where the potential difference can be tapped. All HP reactions are marked with bright arrows, all NP reactions with black arrows. Specifically, the following modes are possible:

a) "Load" = HP: Only HP reactions expire. Excited A and excited B are formed in compartment I and transported to compartment II and III, respectively. However, there can be no decoupling of the energy there. Consequently, A * and B * are accumulated in II and III, which corresponds to a charge.
b) "Working mode = MP or cyclic change between HP and NP: If one constantly switches between HP and NP or selects MP, a medium pressure at which all reactions proceed with sufficient effectiveness, then the system supplies power, regenerates itself at the same time. The regeneration and transport of the components is fed from the introduced potential of the starting components. As is well known, a cell has to collect fissile basic components from time to time and transport degradation products out. This is analogously the case here and illustrated by the vertical broad hatched arrows. In this mode all processes are running, the duration of the energy supply is optimal.
c) "Unloading" = NP: If the system is operated in NP mode, once the energy portion enriched in compartments II and III can be coupled out with maximum efficiency and brought to the electrodes. The reactants A and B are also transported back to compartment I. All other operations are, however. This corresponds to a single unloading, but with a particularly high load capacity. Since the HP reactants A and B are discharged at NP, this reaction is not optimal for NP. Since possibly in the system reaction heat is released, this is even favorable for the discharge of a battery with high capacity (internal short-circuit resistance).

Es sollte noch angemerkt werden, dass es sich nicht um das einfachste mögliche Batteriesystem handelt. So kann das System auch ohne Rücktransport zum einmaligen Nutzen der im Kompartiment I eingebrachten Recktanten aufgebaut werden. Des Weiteren genügen zwei Kompartimente, wenn man eine der Elektrodenreaktionen in Kompartiment I ablaufen lässt.It should be noted that this is not the simplest possible battery system. Thus, the system can be constructed without return transport for the unique benefit of the introduced in compartment I reactants. Furthermore, two compartments are sufficient if one of the electrode reactions in compartment I is allowed to proceed.

Dekontamination chemischer SynthesesystemeDecontamination of chemical synthesis systems

In analoger Weise lassen sich Kontamination und Dekontamination durch Druckwechsel und durch das Stoppen der Reaktionsketten und erneute Anfahren verringern oder beseitigen.In an analogous manner, contamination and decontamination can be reduced or eliminated by pressure changes and by stopping the reaction chains and restarting.

Lichtkomplexe unter HP und NPLight complexes under HP and NP

Als weiteres Anwendungsbeispiel sind druckabhängige lichtgetriebene Prozesse zu nennen.Another application example is pressure-dependent light-driven processes.

Im NP-Bereich gibt es eine Vielzahl von Rezeptor- und Energieumwandlungssysteme, die NP-optimiert arbeiten. Bei HP ist dies nicht der Fall. Andererseits sind aus der Tiefsee chemolumineszente Reaktionen und Reaktionskomponenten bekannt, wozu auch HP-Rezeptorsysteme gehören. Auch hier lassen sich wieder in analoger Weise HP- und NP-Komponenten mischen oder räumlich getrennt anordnen, z. B. um schaltbare Sensoren und zyklische Energieeinkopplung zu ermöglichen. Ein Anwendungsfeld bilden auch die Reaktionen im Kompartiment I der Biobatterien (6).In the NP area, there are a variety of receptor and energy conversion systems that operate NP-optimized. This is not the case with HP. On the other hand, chemiluminescent reactions and reaction components are known from the deep sea, including HP receptor systems. Again, HP and NP components can be mixed again in an analogous manner or arranged spatially separated, for. B. to enable switchable sensors and cyclic energy coupling. A field of application is also the reactions in compartment I of biobatteries ( 6 ).

Claims

Verfahren zur Steuerung einer chemischen Reaktion mittels Druck unter Verwendung von hochdruckoptimierten Biokomponenten, wobei eine Kombination von hochdruck-optimierten und niederdruck-optimierten Biokomponenten, welche nebeneinander oder räumlich getrennt voneinander vorliegen können, verwendet wird.A method of controlling a chemical reaction by pressure using high pressure optimized biocomponents, wherein a combination of high pressure optimized and low pressure optimized biocomponents, which may be side by side or spatially separate from each other, is used.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochdruckoptimierten Biokomponenten ein funktionelles Optimum bei einem Druck im Bereich von 11 bis 200, insbesondere 30 bis 200 MPa, und die niederdruck-optimierten Biokomponenten ein Optimum bei einem Druck im Bereich von 0,1 bis 10 MPa aufweisen.A method according to claim 1, characterized in that the high-pressure optimized biocomponents have a functional optimum at a pressure in the range of 11 to 200, in particular 30 to 200 MPa, and the low-pressure optimized biocomponents an optimum at a pressure in the range of 0.1 to 10 Have MPa.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biokomponenten aus der Gruppe aus biologischen Makromolekülen, Molekülaggregaten, Organellen, Zellen oder Zelllysaten ausgewählt sind.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the biocomponents are selected from the group of biological macromolecules, molecular aggregates, organelles, cells or cell lysates.

Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Biokomponenten biologische Katalysatoren, insbesondere Enzyme und Coenzyme, Membrankomponenten, Proteine oder Zucker umfassen.A method according to claim 3, characterized in that the biocomponents comprise biological catalysts, in particular enzymes and coenzymes, membrane components, proteins or sugars.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die hochdruck-optimierten Biokomponenten von einem Tiefseeorganismus oder einer daraus erhaltenen Zellkultur stammen.Method according to one of claims 1-4, characterized in that the high-pressure-optimized biocomponents come from a deep-sea organism or a cell culture obtained therefrom.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der chemischen Reaktion um eine enzymatische Reaktion, z. B. eine PCR-Reaktion oder eine andere Reaktion zur Vervielfältigung oder Manipulation von Nukleinsäure, handelt.Method according to one of claims 1-5, characterized in that it is in the chemical reaction to an enzymatic reaction, for. A PCR reaction or other reaction for amplification or manipulation of nucleic acid.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion durch eine Druckänderung eingestellt werden kann.Method according to one of claims 1-6, characterized in that the speed of the chemical reaction can be adjusted by a pressure change.

Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die chemische Reaktion durch eine Druckänderung an- oder abgeschaltet werden kann.A method according to claim 7, characterized in that the chemical reaction can be switched on or off by a pressure change.

Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das die Abschaltung zur Entnahme von Reaktionsprodukten oder Entnahme/Zufuhr von Reaktionspartnern genutzt wird.A method according to claim 8, characterized in that the shutdown for the removal of reaction products or removal / supply of reactants is used.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass periodische Druckänderungen vorgenommen werden.Method according to one of claims 1-9, characterized in that periodic pressure changes are made.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass Druckänderungen vorgenommen werden, die bestimmten vorgegebenen Funktionen, z. B. Funktionen mit sinusförmigen, rampenförmigen, rechteckigen oder trapezförmigen Verläufen, folgen.Method according to one of claims 1-10, characterized in that pressure changes are made, the certain predetermined functions, eg. B. functions with sinusoidal, ramped, rectangular or trapezoidal progressions, follow.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere definierte verschiedene Druckzustände realisiert werden.Method according to one of claims 1-11, characterized in that a plurality of defined different pressure states can be realized.

Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Druckzustände einen mittleren Druck, vorzugsweise in einem Bereich von 11 bis 30 MPa, umfasst und zusätzlich für diesen mittleren Druck optimierte Biokomponenten verwendet werden. A method according to claim 12, characterized in that at least one of the pressure states comprises a mean pressure, preferably in a range of 11 to 30 MPa, and additionally used for this average pressure optimized biocomponents.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine Temperatursteuerung erfolgt.Method according to one of claims 1-13, characterized in that in addition a temperature control takes place.

Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–14 zur Herstellung und/oder zum Betrieb eines durch Druck steuerbaren Systems.Use of the method according to any one of claims 1-14 for the manufacture and / or operation of a pressure controllable system.

Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, das es sich bei den durch Druck steuerbaren System um ein System zur Speicherung und Verarbeitung von Informationen, ein Transportsystem, ein System zur Erzeugung, Speicherung oder Umwandlung von Energie, ein Membransystem, einen Sensor, oder einen Schalter handelt.Use according to claim 15, characterized in that the pressure-controllable system is a system for storing and processing information, a transport system, a system for generating, storing or converting energy, a membrane system, a sensor, or a switch is.

Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–14, umfassend – eine Synthesekammer (1) – ein Druckerzeugungssystem (2), – mindestens einen Zufluss (3), und – mindestens einen Abfluss (4), – Sensoren (5), und – eine Einrichtung (6) zur Erfassung und Verarbeitung der von den Sensoren erhaltenen Daten.Device for carrying out the method according to one of claims 1-14, comprising - a synthesis chamber ( 1 ) - a pressure generating system ( 2 ), - at least one inflow ( 3 ), and - at least one outflow ( 4 ), - sensors ( 5 ), and - an institution ( 6 ) for detecting and processing the data obtained from the sensors.

Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Synthesekammer zwei verstellbare Wände (11, 13) umfasst, deren Abstand mit einem Abstandssystem (12) regelbar ist, und das Druckerzeugungssystem (2) zwei Verstellelemente (24, 25), die an einem Spannungsgenerator (211) angeschlossen sind, sowie einen stabilen Rahmen (212) als Gegenlager umfasst.Device according to claim 17, wherein the synthesis chamber has two adjustable walls ( 11 . 13 ), whose distance with a distance system ( 12 ) and the pressure generating system ( 2 ) two adjusting elements ( 24 . 25 ) connected to a voltage generator ( 211 ) and a stable frame ( 212 ) as an abutment.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Verstellelementen um Piezoelemente handelt.Device according to one of claims 17 or 18, characterized in that it is the piezoelectric elements in the adjustment elements.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17–19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Wand der Synthesekammer transparent ist.Device according to one of claims 17-19, characterized in that at least one wall of the synthesis chamber is transparent.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17–20, dadurch gekennzeichnet, dass die verstellbaren Wände die untere und die obere Begrenzung der Synthesekammer bilden und der maximale Abstand der verstellbaren Wände geringer ist als die Länge und Breite der verstellbaren Wände.Device according to one of claims 17-20, characterized in that the adjustable walls form the lower and the upper boundary of the synthesis chamber and the maximum distance of the adjustable walls is less than the length and width of the adjustable walls.