Wissenschaftsführer für den Sommer: Wenn eine 40°C-Hitzewelle auf molekulare Experimente trifft

In weiten Teilen Chinas herrschten in letzter Zeit anhaltend hohe Temperaturen. Am 24. Juli gab das Meteorologische Observatorium der Provinz Shandong eine gelbe Temperaturwarnung heraus und sagte für die nächsten vier Tage im Landesinneren saunaähnliche Temperaturen von 35–37 °C (111–133 °F) und eine Luftfeuchtigkeit von 80 % voraus. In Orten wie Turpan in Xinjiang nähern sich die Temperaturen 48 °C (111–133 °F). Für Wuhan und Xiaogan in Hubei gilt eine orangefarbene Alarmstufe, da die Temperaturen in einigen Gebieten 37 °C übersteigen. In dieser sengenden Hitze kommt es in der mikroskopischen Welt unter der Oberfläche von Pipetten zu ungewöhnlichen Störungen – die Stabilität von Nukleinsäuren, die Aktivität von Enzymen und der physikalische Zustand von Reagenzien werden durch die Hitzewelle stillschweigend gestört.

Die Nukleinsäureextraktion ist zu einem Wettlauf gegen die Zeit geworden. Wenn die Außentemperatur 40 °C übersteigt, liegt die Temperatur auf dem Operationstisch selbst bei eingeschalteter Klimaanlage oft über 28 °C. Zu dieser Zeit zersetzen sich im Freien gelagerte RNA-Proben mehr als doppelt so schnell wie im Frühjahr und Herbst. Bei der Magnetkügelchenextraktion ist die Pufferlösung aufgrund der beschleunigten Verflüchtigung des Lösungsmittels lokal gesättigt, und es bilden sich leicht Kristalle. Diese Kristalle verursachen große Schwankungen in der Effizienz der Nukleinsäureerfassung. Gleichzeitig nimmt die Flüchtigkeit organischer Lösungsmittel zu. Bei 30 °C verflüchtigt sich Chloroform um 40 % mehr als bei 25 °C. Während des Betriebs muss sichergestellt werden, dass die Windgeschwindigkeit im Abzug 0,5 m/s beträgt, und es müssen Nitrilhandschuhe getragen werden, um die Schutzwirkung aufrechtzuerhalten.

PCR-Experimente sind noch komplexeren Temperaturstörungen ausgesetzt. Reagenzien wie das Taq-Enzym und die reverse Transkriptase reagieren äußerst empfindlich auf plötzliche Temperaturschwankungen. Kondensation an den Röhrchenwänden nach der Entnahme aus einem -20 °C-Gefrierschrank kann zu einem Verlust der Enzymaktivität von über 15 % führen, wenn sie in das Reaktionssystem gelangt. dNTP-Lösungen können außerdem bereits nach 5 Minuten bei Raumtemperatur (> 30 °C) eine nachweisbare Zersetzung aufweisen. Auch der Gerätebetrieb wird durch hohe Temperaturen beeinträchtigt. Wenn die Umgebungstemperatur im Labor über 35 °C beträgt und der Abstand zur Wärmeableitung des PCR-Geräts unzureichend ist (< 50 cm von der Wand), kann der interne Temperaturunterschied bis zu 0,8 °C betragen. Diese Abweichung kann dazu führen, dass die Amplifikationseffizienz am Rand einer 96-Well-Platte um über 40 % sinkt. Staubfilter sollten regelmäßig gereinigt werden (Staubansammlung verringert die Wärmeableitungseffizienz um 50 %), und eine direkte Klimatisierung ist zu vermeiden. Vermeiden Sie es außerdem, das PCR-Gerät bei PCR-Experimenten über Nacht als „behelfsmäßigen Kühlschrank“ zur Lagerung von Proben zu verwenden. Bei einer Lagerung bei 4 °C über mehr als 2 Stunden kann es nach dem Schließen des beheizten Deckels zur Bildung von Kondenswasser kommen, wodurch das Reaktionssystem verdünnt wird und die Metallmodule des Instruments möglicherweise korrodieren.

Angesichts anhaltender Hochtemperaturwarnungen sollten auch Molekularlabore Alarm schlagen. Wertvolle RNA-Proben sollten im hinteren Teil eines -80 °C-Gefrierschranks gelagert werden und der Zugang sollte auf Hochtemperaturperioden beschränkt sein. Wird die Tür eines -20 °C-Gefrierschranks mehr als fünfmal täglich geöffnet, verstärken sich die Temperaturschwankungen. Geräte, die viel Wärme erzeugen, benötigen an beiden Seiten und auf der Rückseite mindestens 50 cm Platz zur Wärmeableitung. Darüber hinaus wird empfohlen, die experimentellen Zeiten neu zu strukturieren: 7:00–10:00 Uhr für temperaturempfindliche Vorgänge wie RNA-Extraktion und qPCR-Beladung; 13:00–16:00 Uhr für nicht-experimentelle Arbeiten wie die Datenanalyse. Mit dieser Strategie können Sie wirksam verhindern, dass Hochtemperaturspitzen kritische Schritte stören.

Molekulare Experimente während einer Hitzewelle stellen sowohl Technik als auch Geduld auf die Probe. Unter der unerbittlichen Sommersonne ist es vielleicht an der Zeit, die Pipette wegzulegen und eine zusätzliche Kiste Eis zu den Proben zu geben, damit das Instrument mehr Wärme ableiten kann. Diese Rücksichtnahme auf Temperaturschwankungen ist gerade in den sengenden Sommermonaten die wertvollste Eigenschaft eines Labors – schließlich brauchen selbst Moleküle bei 40 °C Sommerhitze eine sorgfältig bewachte „künstliche Polarregion“.