Sommerlicher Wissenschaftsleitfaden: Wenn eine 40°C-Hitzewelle auf molekulare Experimente trifft

In weiten Teilen Chinas herrschen seit Kurzem anhaltend hohe Temperaturen. Am 24. Juli gab die Meteorologische Beobachtungsstelle der Provinz Shandong eine gelbe Hitzewarnung heraus und sagte für die kommenden vier Tage in den Binnenregionen „saunaartige“ Temperaturen von 35–37 °C und 80 % Luftfeuchtigkeit voraus. In Orten wie Turpan (Xinjiang) erreichen die Temperaturen fast 48 °C. Wuhan und Xiaogan (Hubei) befinden sich in oranger Warnung, 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 unbemerkt beeinträchtigt.

Die Nukleinsäureextraktion ist zu einem Wettlauf gegen die Zeit geworden. Steigt die Außentemperatur über 40 °C, liegt die Temperatur des Arbeitstisches selbst bei eingeschalteter Klimaanlage oft über 28 °C. RNA-Proben, die an der Luft gelagert werden, zersetzen sich dann mehr als doppelt so schnell wie im Frühling und Herbst. Bei der Extraktion mit Magnetpartikeln sättigt sich die Pufferlösung aufgrund der beschleunigten Verflüchtigung des Lösungsmittels lokal, und es bilden sich leicht Kristalle. Diese Kristalle verursachen große Schwankungen in der Effizienz der Nukleinsäureanreicherung. Gleichzeitig steigt die Flüchtigkeit organischer Lösungsmittel. Bei 30 °C verflüchtigt sich Chloroform um 40 % mehr als bei 25 °C. Während des Betriebs muss daher sichergestellt werden, dass die Windgeschwindigkeit im Abzug 0,5 m/s beträgt, und Nitrilhandschuhe müssen getragen werden, um die Schutzwirkung zu gewährleisten.

PCR-Experimente sind noch komplexeren Temperaturschwankungen ausgesetzt. Reagenzien wie Taq-Enzym und Reverse Transkriptase reagieren extrem empfindlich auf plötzliche Temperaturschwankungen. Kondenswasser an den Wänden der Reaktionsgefäße nach Entnahme aus einem -20 °C-Gefrierschrank kann, wenn es in das Reaktionssystem gelangt, zu einem Aktivitätsverlust von über 15 % des Enzyms führen. Auch dNTP-Lösungen können bereits nach 5 Minuten bei Raumtemperatur (>30 °C) einen messbaren Abbau aufweisen. Hohe Temperaturen beeinträchtigen zudem den Gerätebetrieb. Bei einer Labortemperatur von >35 °C und unzureichendem Abstand des PCR-Geräts zur Wand (<50 cm) kann die interne Temperaturdifferenz bis zu 0,8 °C betragen. Diese Abweichung kann die Amplifikationseffizienz am Rand einer 96-Well-Platte um über 40 % reduzieren. Staubfilter sollten regelmäßig gereinigt werden (Staubablagerungen reduzieren die Wärmeabfuhr um 50 %), und direkte Klimatisierung sollte vermieden werden. Bei PCR-Experimenten über Nacht sollte das PCR-Gerät außerdem nicht als „provisorischer Kühlschrank“ zur Probenlagerung verwendet werden. Eine Lagerung bei 4°C über mehr als 2 Stunden kann zur Bildung von Kondenswasser nach dem Schließen des beheizten Deckels führen, wodurch das Reaktionssystem verdünnt und möglicherweise die Metallmodule des Instruments korrodiert werden.

Angesichts anhaltender Warnungen vor hohen Temperaturen sollten auch molekularbiologische Labore Alarm schlagen. Wertvolle RNA-Proben sollten im hinteren Bereich eines -80 °C-Gefrierschranks gelagert und nur während der Hochtemperaturphasen zugänglich gemacht werden. Das Öffnen der Tür eines -20 °C-Gefrierschranks mehr als fünfmal täglich verstärkt die Temperaturschwankungen. Geräte mit hoher Wärmeentwicklung benötigen mindestens 50 cm Platz zur Wärmeableitung an den Seiten und der Rückseite. Darüber hinaus wird empfohlen, die Arbeitszeiten anzupassen: 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. Diese Strategie kann effektiv verhindern, dass hohe Temperaturen kritische Arbeitsschritte stören.

Molekularbiologische Experimente während einer Hitzewelle stellen Technik und Geduld gleichermaßen auf die Probe. Unter der unerbittlichen Sommersonne ist es vielleicht an der Zeit, die Pipette beiseite zu legen und den Proben zusätzlich Eiswürfel zu geben, damit das Gerät mehr Wärme abführen kann. Diese Achtsamkeit gegenüber Temperaturschwankungen ist gerade in den brütend heißen Sommermonaten die wertvollste Eigenschaft im Labor – schließlich benötigen selbst Moleküle bei 40 °C Sommerhitze eine sorgsam geschützte „künstliche Polarregion“.