АППАРАТ ДЛЯ СИНТЕЗА ОЛИГО(ПОЛИ)НУКЛЕОТИДОВ
APPARATUS FOR SYNTHESIS OF OLIGO(POLY)NUCLEOTIDES

Изобретение относится к устройствам для осуществления синтеза фрагментов молекул ДНК и РНК в автоматическом режиме, и может использоваться в молекулярной биологии, генной инженерии, медицине и других отраслях человеческой деятельности.
Аппараты для синтеза олиго(поли)нуклеотидов известны и используются на практике.
Например, известен аппарат для синтеза пептидов и других органических соединений, содержащий реакционную ячейку с твердофазным носителем, емкости с различными реактивами и емкость для пробы, средства для выборочного подключения емкости для пробы с одной из емкостей для реактивов и реакционной ячейкой, а также средство для переноса реактивов из емкостей с реактивами в реакционную ячейку и средство ускорения названного переноса реактивов с помощью источника газа под давлением, источник пониженного давления и средство выборочного соединения источника газа под давлением и источника пониженного давления с реакционной ячейкой [Патент США №3647390, МПК: С40В 60/14, B01J 14/00, С40В 40/10]. В этом аппарате перемещение реактивов из емкостей с реактивами в реакционную ячейку происходит за счет избыточного давления газа, а удаление отработанных реактивов из реакционной ячейки - за счет пониженного давления газа.
В качестве твердофазного носителя для синтеза в этом аппарате используется стеклянный носитель с порами контролируемого размера (controlled pore glass - CPG) или полистирольный носитель. В процессе синтеза исходный объем твердофазного носителя увеличивается за счет прироста на его поверхности синтезируемых фрагментов молекул, поэтому расход реактивов, требуемый для проведения синтеза, возрастает. Чем больше начальная загрузка твердофазного носителя, тем больше изменяется его исходный объем в процессе синтеза и тем больше требуется рабочих реактивов для синтеза. Например, при синтезе олигонуклеотида, длиной 50 мономеров с использованием 3 миллиграмм стеклянного носителя (CPG), с начальной загрузкой 40-45 микромоль/грамм, исходный объем носителя увеличивается на (20-25)% за счет прироста синтезируемых олигонуклеотидов. Этот эффект наблюдается для всех известных твердофазных носителей.
Известен аппарат для синтеза пептидов и олигонуклеотидов, в котором используются твердофазные носители на полистирольной основе, включающий емкости с реактивами для синтеза пептидов или олигонуклеотидов, вспомогательными и промывочными жидкостями, реакционную колонку, средства для жидкостного соединения реакционной колонки и средств подачи жидкостей различного назначения [Патент США №5112575 МПК: C07K 1/04, С40В 40/06, С40В 60/14, B01J 19/00].
Также известен аппарат для твердофазного синтеза олигонуклеотидов, имеющий в своем составе реакционную колонку с верхним вводом в нее жидкостей и газов, и нижним вводом, снабженным пропускающим жидкости фильтром, средством для подачи газов и растворов в реакционную колонку, а также средством подачи в колонку газа для вытеснения из нее жидкостей [Патент США №6033631 МПК: С40В 50/06, B01J 4/00, С40В 40/02].
Этот аппарат является ближайшим аналогом предлагаемого аппарата для синтеза олиго(поли)нуклеотидов и принят за прототип изобретения.
Реакционная ячейка в прототипе имеет цилиндрическую форму, или форму усеченного конуса и постоянный объем.
В таком аппарате при использовании твердофазных носителей возникает повышенный расход реагентов. Это объяснятся тем фактом, что исходный объем такого носителя увеличивается в процессе синтеза как за счет прироста синтезируемых молекул, так и за счет набухания носителя при смачивании его теми или иными реактивами, используемыми в процессе синтеза. Поэтому при заполнении носителем реакционной колонки постоянного объема значительную часть объема колонки оставляют пустой. Пустой объем заполняется носителем при увеличении его объема в ходе синтеза. Наличие пустых объемов приводит к избыточному расходу реактивов при проведении синтеза.
В данном аппарате при использовании твердофазных носителей на основе полистирола реакционная ячейка может быть заполнена не более чем на половину объема, свободное место в колонке должно быть оставлено для последующего увеличения объема носителя. При этом в ходе синтеза реакционная колонка должна заполняться реактивом полностью, т.к. в случае частичного заполнения полистирольный носитель может всплыть, и химическая реакция для всплывшей части носителя не выполнится, что приведет к резкому снижению эффективности синтеза или к синтезу олигонуклеотидов с неправильной структурой. Объемный избыток реактива, необходимый для обеспечения качественного синтеза, является причиной повышенного расхода реактивов.
Изобретение решает задачу снижения расхода реактивов при синтезе олиго(поли)нуклеотидов в реакционной колонке с использованием твердофазных носителей путем изменения объема колонки в процессе синтеза.
Поставленная задача решается тем, что предлагается аппарат для синтеза олиго(поли)нуклеотидов, включающий соединенные между собой, как показано на фиг. 1, реакционную колонку с размещенным в ней твердофазным носителем, емкости с реактивами для синтеза и вспомогательными реактивами, средство подачи реактивов в названную реакционную колонку и средство удаления из нее реактивов, источник газа избыточного давления, емкость с промывочной жидкостью, газовые и жидкостные клапаны, причем аппарат снабжен средством управления и контроля, выполненным в форме программируемой ЭВМ, реакционная колонка выполнена в форме цилиндрической емкости с размещенным в ее полости поршнем, установленным с возможностью его перемещения вдоль оси названной емкости для изменения ее объема во время синтеза, и как минимум двумя вводами для подачи и удаления реактивов, один из которых размещен в поршне, а второй размещен напротив - в основании цилиндрической емкости, и снабжена датчиком положения поршня и имеет привод.
Предпочтительно использовать шаговый двигатель с приводом, соединяющим его с поршнем реакционной колонки для приведения последнего в движение.
Средство удаления реактивов из реакционной колонки может содержать источник инертного газа, подаваемого в реакционную колонку под избыточным давлением.
Средство удаления реактивов из реакционной камеры может быть снабжено вакуумным насосом.
Схема предлагаемого аппарата приведена на фиг. 1, где 1 -источник газа избыточного давления, 2-9 - газовые клапаны, 10 - емкость с промывочной жидкостью, 11-20 - емкости с реактивами, 21-34 - жидкостные клапаны, 35 - привод, предназначенный для изменения объема реакционной колонки, 36 - реакционная колонка, 36а - подвижная часть реакционной колонки (поршень), 36б - неподвижная часть реакционной колонки (цилиндр), 37 - емкость для отработанных реактивов.
Предлагаемый аппарат для синтеза олиго(поли)нуклеотидов работает следующим образом.
В реакционную колонку 36 помещают твердофазный носитель, на котором осуществляют синтез целевого олиго(поли)нуклеотида. Этот носитель может быть выполнен из стекла, полистирола и других пригодных для этих целей материалов.
Реакционная колонка 36 может быть выполнена в виде цилиндрической емкости 36б, в полости которой установлен поршень 36а, с возможностью перемещения в объеме колонки с помощью привода с шаговым двигателем 35. Посредством трубопроводов реакционная колонка соединена с емкостями, содержащими реактивы, 11-20 и емкостью для отработанных реактивов 37. Подача того или иного реактива в реакционную колонку и удаление отработанных реактивов из колонки происходит за счет избыточного давления газа, подаваемого в емкости из источника газа 1, посредством открывания и закрывания соответствующих газовых клапанов 2-9 и жидкостных клапанов 21-34.
Датчик положения поршня колонки (не показан) сообщает ЭВМ данные о положении поршня 36а. На основании этих данных при необходимости происходит перемещение поршня 36а внутри цилиндра 36б вдоль ее оси для увеличения или уменьшения объема полости реакционной колонки. Используемая реакционная колонка изменяет объем автоматически по программе в соответствии с ожидаемым на определенной стадии синтеза объемом носителя. Изменение объема реакционной колонки в зависимости от объема носителя позволяет оптимизировать расход подаваемых в колонку реактивов, и в итоге приводит к снижению затрат реактивов на синтез.
Работой аппарата управляет программируемая ЭВМ, по командам которой открываются и закрываются газовые клапаны 2-9 и жидкостные клапаны 21-34, а также происходит перемещение подвижной части реакционной колонки - поршня 36а. Те или иные реактивы подаются в реакционную колонку 36 в зависимости от технологического регламента проводимого синтеза. Реактивы из соответствующих емкостей 11-20 при открытии жидкостных клапанов 6 поступают в реакционную колонку 36, после этого реактивы на определенное программой ЭВМ время остаются в реакционной колонке 36 и потом удаляются в сливную емкость 37 посредством подачи газа из источника избыточного давления 1 и открытия клапанов 9 и 34, или прокачкой промывочной жидкости из емкости 10 через реакционную колонку 36 в сливную емкость 37 посредством открытия клапанов 2, 21, 32 и 33.
Таким образом, предлагаемый аппарат синтеза олиго(поли)нуклеотидов работает в оптимальных условиях, что позволяет снизить расход реактивов при синтезе с использованием твердофазных носителей, способных изменять свой объем в процессе синтеза, при этом качество синтезируемых олиго(поли)нуклеотидов сохраняется.