Genomweite Alternsforschung mit automatisiertem Liquid Handling optimieren

Erforschung der molekularen Mechanismen des Alterns

Mit dem Altern gehen Veränderungen der molekularen Prozesse einher, die die Zellfunktion beeinflussen. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind jedoch häufig noch wenig erforscht. Andreas Kohler und Verena Kohler untersuchen gemeinsam die molekulare Physiologie des Alterns. Dabei bringt Andreas Kohlers Labor seine Expertise zu den Mechanismen ein, die die Qualität mitochondrialer Proteine sicherstellen, während sich Verena Kohlers Labor auf die Proteostase und die Qualitätskontrolle von Proteinen in der gesamten Zelle spezialisiert hat. Aus dem gemeinsamen Interesse daran, wie sich diese Systeme im Laufe der Zeit verändern, entstand die FAST-Plattform – ein vielseitiger Ansatz für ein genomweites Screening des Alterungsprozesses.

Die Mitochondrienbiologie spielt in der Alternsforschung eine besonders wichtige Rolle. Dabei sind Fragen zur Qualitätskontrolle mitochondrialer Proteine von grundlegender Bedeutung, um altersbedingte Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson besser zu verstehen. Andreas Kohler erklärt: „Wir wissen noch sehr wenig darüber, wie Proteine, die in den Mitochondrien gebildet werden, erhalten und auf ihre Qualität geprüft werden, bevor sie zusammengesetzt werden – obwohl einige dieser Proteine Bestandteile der Atmungskette sind. Ich finde es faszinierend, dass wir noch so wenig über etwas wissen, das die Grundlage allen aeroben Lebens auf der Erde bildet.“

Engpass bei der Vorbereitung von Hochdurchsatzplatten beseitigen

Die FAST-Plattform basiert auf einem Robotersystem, das Zellen automatisch kultiviert und vermehrt und zudem ihr Wachstum auf festen Nährmedien erfasst. So kann das Team Tausende verschiedene Zelllinien analysieren. Der Betrieb in dieser Größenordnung führte jedoch zu einem erheblichen Engpass bei der Vorbereitung der Platten. Eine einzige genomweite Bibliothek kann etwa 6500 Stämme enthalten, wofür Tausende von Platten mit Nährmedium befüllt werden müssen, was bei einer manuellen Durchführung stundenlange, mühsame und repetitive Arbeit erfordert.

Andreas Kohler erläutert: „Der WELLJET-Reagenziendispenser von INTEGRA war für uns die ideale Lösung, um das Befüllen dieser Platten vollständig zu automatisieren. Das ist wirklich ein hervorragendes Tool, denn die Programme lassen sich damit schnell und einfach erstellen. Dadurch ist unser gesamter Ansatz viel einfacher geworden und der Engpass vollständig entfallen.“

Besonders attraktiv für das Team ist der im WELLJET integrierte Plattenstapler, mit dem sich große Mengen an Platten ohne zusätzliche Robotik verarbeiten lassen. „Bei anderen Systemen hätten wir zusätzliche Roboter benötigt oder sie irgendwie anpassen müssen. Der WELLJET benötigt nur sehr wenig Platz und muss nicht an das übrige automatisierte System angeschlossen werden. Dank dieser Vorteile lässt er sich nahtlos in unseren Arbeitsablauf integrieren. Er ist zudem sehr flexibel, was die Verwendung unterschiedlicher Laborgefäße angeht, und wir können alle unsere vorhandenen Platten ohne jegliche Anpassung verwenden.“

Hochdurchsatzforschung nachhaltiger gestalten

Den Durchsatz zu steigern, ist nicht die einzige Priorität des Teams. Die Forschenden möchten zudem die Umweltbelastung durch groß angelegte Screenings möglichst gering halten, da bei der Verarbeitung Tausender Proben erhebliche Mengen an Einwegkunststoff anfallen können. Die zentrale Robotikplattform nutzt wiederverwendbare Metallstifte zur Zellkultivierung anstelle von Einweg-Pipettenspitzen aus Kunststoff; die Stifte werden zwischen den einzelnen Anwendungen sterilisiert.

Dass bei INTEGRA großer Wert auf die Abfallreduzierung gelegt wird, war für Andreas Kohler und das übrige Team ein weiterer Grund, sich für die Produkte des Unternehmens zu entscheiden. „Wir versuchen, Plastikmüll so weit wie möglich zu vermeiden, und der WELLJET verfügt über wiederverwendbare, sterilisierbare Kassetten, sodass man nicht so viele Pipettenspitzen benötigt, wie sie bei manchen anderen Robotersystemen zum Einsatz kommen. Die Kassetten haben zudem eine recht lange Lebensdauer, bevor sie ausgetauscht werden müssen, wodurch Ressourcen gespart werden können.“

Reformatierung durch automatisiertes Pipettieren erleichtern

Ein weiterer Engpass war die Reformatierung der Platten: Die Zellen werden zunächst in 96-Well-Platten kultiviert, um eine ausreichende Belüftung für das Wachstum zu gewährleisten, und anschließend für die Hochdurchsatzanalyse in 384-Well-Platten überführt. Dieser zweite Engpass wurde durch den Einsatz von zwei tragbaren elektronischen MINI 96 Pipetten beseitigt.

Andreas Kohler erklärt: „Früher führten wir sämtliche Transfers mit Mehrkanalpipetten durch, wobei die Bearbeitung einer einzigen Platte selbst im besten Fall 10 bis 15 Minuten dauerte. Mit der MINI 96 ist das eine Sache von Sekunden. Wir verwenden sowohl 125-µl- als auch 300-µl-Pipetten. Damit lassen sich die Zellen nun ganz einfach zwischen den beiden Plattentypen transferieren und auch die Färbeschritte für die Durchflusszytometrie durchführen.“ Durch die Automatisierung dieser repetitiven Aufgaben bleibt den Forschenden mehr Zeit für ihre eigentliche Forschungsarbeit. Gleichzeitig lassen sich Fehler bei umfangreichen Screening-Experimenten reduzieren. „Diese Arbeiten waren oft frustrierend, denn sie waren zwar sehr repetitiv und monoton, erforderten aber dennoch eine hohe Konzentration, um Fehler zu vermeiden. Mit der MINI 96 ist das nun ganz einfach, und vor allem fällt damit eine mögliche Ursache für menschliche Fehler weg.“

Nahtlose Integration durch kompetente Unterstützung

Andreas Kohler ist beeindruckt von der Unterstützung, die das Team von INTEGRA erhält, insbesondere als ein Kompatibilitätsproblem auftrat: „Wir hatten ein Problem, das sich nicht sofort lösen ließ, aber INTEGRA hat sich darum gekümmert und die Ingenieur*innen des Unternehmens haben es für uns behoben.“ Das Team profitiert weiterhin von der Fachkompetenz von INTEGRA, unter anderem durch die Beratung bei der Auswahl von Reservoirs und anderem Laborzubehör für die eigenen Workflows. Nachdem mit dem WELLJET und der MINI 96 zwei der größten Engpässe beim Liquid Handling auf der FAST-Plattform beseitigt wurden, können sich die Forschenden auf ihre wichtigen Hochdurchsatz-Screenings konzentrieren und neue Erkenntnisse über die molekularen Prozesse des Alterns sowie die Funktionsweise der Mitochondrien gewinnen.

Der Reagenziendispenser WELLJET bietet einen hohen Bedienkomfort und hohe Flexibilität für verschiedenste Anwendungen, bei denen Reagenzien kostengünstig, schnell und präzise dispensiert werden müssen. Erfahren Sie mehr darüber, wie dieser Dispenser die Abläufe in Ihrem Labor optimieren kann.

Die MINI 96 ist eine kostengünstige elektronische 96-Kanal-Pipette, die sich für eine Vielzahl von Lifesciences-Anwendungen eignet. Erfahren Sie mehr darüber, wie diese Pipette die Produktivität in nahezu jedem Labor steigern kann.