Seit dem Corona-Virus hat der Polymerase-Kettenreaktionstest (PCR) Einzug im Alltag gehalten. Hinter den Kulissen haben die Stromversorgungsbranche und neueste digitale Power-Technologien einen großen Beitrag dazu geleistet, den PCR-Prozess effizient und genau zu gestalten.
as menschliche Erbgut, auch als Desoxyribonukleinsäure (DNS) bekannt, enthält alle genetischen Informationen und Anweisungen, die Organismen für ihre Entwicklung, ihr Wachstum, ihr Überleben und ihre Fortpflanzung benötigen. Ursprünglich wurde sie 1866 von Gregor Mendel, dem »Vater der Genetik«, entdeckt. Erst viele Jahre später entdeckten Wissenschaftler, wie man den geheimen Code der DNA knacken und wie man ihn am besten zum Wohle der Menschheit nutzen kann.
Ein wichtiger Meilenstein wurde 1953 erreicht, als James Dewey Watson und Francis Harry Compton Crick die Doppelhelixstruktur der DNA veröffentlichten, die sich zu der typischen leiterartigen Struktur verdreht (Bild 1). Die Arbeit wurde 1962 mit dem Nobelpreis für Medizin belohnt, den sie sich mit Maurice Hugh Frederick Wilkins für ihre Entdeckungen über die molekulare Struktur der Nukleinsäuren und deren Bedeutung für die Informationsübertragung in lebendem Material teilten.
Die Zusammensetzung der DNA ist wie die einzelnen Buchstaben des Alphabets. Wenn sie in einer bestimmten Reihenfolge miteinander kombiniert werden, ergeben sie Wörter, Sätze und Geschichten. Um das Buch zu lesen und seinen Inhalt zu verstehen, war intensive Forschung erforderlich, und erst im März 2022 konnten Wissenschaftler das erste vollständige menschliche Genom entschlüsseln, das aus mehr als drei Milliarden Basenpaaren besteht. Das Äquivalent wäre ein Buch mit einer Million Seiten.
Die Vervollständigung des menschlichen Genoms wurde durch eine Vielzahl technologischer Innovationen ermöglicht. Eine davon ist die DNA-Sequenzierungsmethode von Oxford Nanopore, die – allerdings mit einigen Fehlern – bis zu eine Million DNA-Buchstaben auf einmal sequenzieren kann. Die DNA-Sequenzierungsmethode PacBio HiFi kann immerhin 20.000 Buchstaben mit einer Genauigkeit von 99,9 % lesen.
Das Verständnis der DNA ist ein wichtiger Forschungsbereich. Und ein Werkzeugkasten zur Entschlüsselung ist der Traum eines jeden Biochemikers. Dr. Kary Banks Mullis erfand 1983 die Polymerase Chain Reaction (PCR), welche wesentlich dazu beigetragen hat, die Forschung und die Geschwindigkeit des Verständnisses für die DNA zu steigern (Bild 2).
Urbane Legende oder Realität? 1983 soll Dr. Mullis auf der Fahrt von der Bay Area zu seiner Hütte in Mendocino wie ein Blitz aus dem kalifornischen Himmel einen Weg gefunden haben, einen bestimmten Abschnitt der DNA zu lokalisieren und eine enorme Anzahl von Kopien zu synthetisieren. Zu dieser Zeit arbeitete Mullis für das Unternehmen Cetus und konzentrierte sich darauf, seine Vision in ein Verfahren zu verwandeln.
Nach vielen Höhen und Tiefen veröffentlichte Mullis 1987 einen Artikel in der Zeitschrift Nature: »Methods in Enzymology« gab dann den endgültigen Anstoß zur Entwicklung der PCR. 1993 erhielt er den Nobelpreis für Chemie für seine Erfindung der Polymerase-Kettenreaktion. Das Verfahren gilt als eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Techniken des zwanzigsten Jahrhunderts.
Die Polymerase-Kettenreaktion ist eine Labortechnik zur schnellen Herstellung (Amplifikation) von Millionen bis Milliarden von Kopien eines bestimmten DNA-Abschnitts, der dann genauer untersucht werden kann. Bei der PCR werden kurze synthetische DNA-Fragmente, sogenannte Primer, verwendet, um einen zu amplifizierenden Abschnitt des Genoms auszuwählen, und dann mehrere Runden der DNA-Synthese, um diesen Abschnitt zu amplifizieren (Bild 3).
Dies geschieht durch ein spezielles Verfahren, bei dem die Proben in Röhrchen gegeben und einem sehr präzisen Thermozyklus ausgesetzt werden. Hier trifft die Stromversorgung auf die DNA. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte, aber drei davon sind besonders kritisch und werden mehrmals wiederholt, um Kopien der DNA-Segmente zu erstellen (Bild 4).
Schritt eins – Denaturierung
Das im Röhrchen enthaltene Präparat wird auf wenigstens 94 °Celsius erhitzt. Durch die Hitze werden die Wasserstoffbrücken der ursprünglichen DNA-Probe gebrochen und die DNA in Einzelstränge aufgespalten.
Zweiter Schritt – Glühen
Die Temperatur wird auf ca. 5 °Celsius unter die Schmelztemperatur der Primer gesenkt, d. h. auf 50 bis 60 °Celsius, sodass sich die DNA-Primer und das DNA-Polymerase-Enzym an die einzelnen DNA-Stränge binden können, die durch die Erhitzung getrennt wurden. Zu diesem Zeitpunkt paaren sich die Nukleotide (A, T, C, G) aus der zugegebenen Mischungslösung mit den einzelnen durch die Erhitzung getrennten DNA-Strängen.
Dritter Schritt – Verlängerung
Anschließend wird die Temperatur auf 72 °Celsius erhöht, um den Verlängerungsprozess einzuleiten. Sobald die Segmente miteinander verbunden sind, bilden sie einen neuen komplementären DNA-Strang. Aus jedem der Einzelstränge des ursprünglichen Probenmoleküls wurde ein neues doppeltes doppelsträngiges DNA-Molekül gebildet. Wenn die Sequenz abgeschlossen ist, wird die Temperatur erhöht, um einen neuen Zyklus zu starten.
Die Schritte 1 bis 3 werden dann etwa 30- bis 40-mal wiederholt, wodurch die Heiz- und Kühlzyklen des Prozesses automatisch wiederholt werden, was dazu führt, dass die DNA-Sequenz bei jedem Heiz-/Kühlzyklus verdoppelt wird. Am Ende des Prozesses erhält man Millionen Kopien der ursprünglichen Probe.
Schritt Vier – abschließende Verlängerung und Lagerung
Damit alle PCR-Produkte korrekt synthetisiert werden können, ist ein abschließender Verlängerungsschritt erforderlich, in der Regel bei 72 °Celsius für zehn Minuten. Abschließend sollte die Temperatur auf 4 °Celsius reduziert werden, um das PCR-Produkt bis zur Analyse zu lagern.
Je nach Zielsetzung, Zeitaufwand oder geforderter Genauigkeit werden häufig verschiedene Varianten dieses Verfahrens eingesetzt, z. B. quantitative Echtzeit-PCR (qPCR), reverse Transkriptions-PCR (RT-PCR), reverse Transkriptions-quantitative PCR (RT-qPCR), digitale PCR (dPRC) und digitale Tröpfchen-PCR (ddPCR), Mikrofluid-PCR.
Es gibt viele medizinische Anwendungen, die eine Wärmeregelung erfordern, z. B. Inkubatoren für Neugeborene, Bluterwärmung für die Hämolyse, Inkubationskammern im Labor usw. Die meisten dieser Anwendungen erfordern eine genaue Wärmeregulierung, und die meisten medizinischen Netzteile mit Ausgangsspannungsregelung sind für solche Anwendungen geeignet. Im Fall der PCR-Ausrüstung (Bild 5) und der Spezifität der thermischen Zyklen mit hoher Genauigkeit und sich wiederholenden Sequenzen erfordern sie eine spezielle Stromversorgungslösung und verfolgen oft einen modularen Ansatz mit dem Stromversorgungssystem und der Steuerung, die in den PCR-Thermokreislauf integriert sind.
Wie in Bild 4 dargestellt, sind die thermischen Zyklen relativ kurz und erfordern, dass das Heizelement seine Temperatur zwischen +95°C (hoch), +50°C (niedrig), +72°C (Plateau) und zurück auf +95°C nach vier Minuten einstellt. Dieser Zyklus wird 30- bis 40-mal wiederholt, wobei die Genauigkeit sehr hoch ist.
Es gibt verschiedene Methoden zur Erzeugung und Steuerung der Temperatur in Thermocyclern, aber viele verwenden Elemente mit Peltier-Effekt. Wenn die Hauptanwendung des Peltier-Effekts die Kühlung ist, kann der Peltier-Effekt auch zum Heizen oder zur Temperaturregelung verwendet werden. Er könnte auch mit einem anderen Heizelement verbunden werden und dann mit einer kontrollierten Hysterese die Wärmekammer abkühlen.
Die Hersteller von PCR-Thermocyclern haben sehr komplexe Algorithmen entwickelt, um das Temperaturniveau mit hoher Genauigkeit einzustellen und zu kontrollieren. Mit der Einführung des digitalen Leistungs-, Steuerungs- und Energiemanagements ist es einfacher geworden, die Thermocycler-CPU mit der Schaltstufe zu verbinden und Spannung und Strom über eine digitale Schnittstelle, z. B. PMBus, zu steuern, um die Heiz-/Kühlelemente zu versorgen (Bild 6).
In einigen Fällen wird das PWM-Signal von der Thermocycler-Steuerung erzeugt und in die Schaltstufe der Stromversorgung eingespeist, um die Parameter ohne zusätzliche Schritte genau zu steuern (Bild 7). Da die Leistungsstufe in hohem Maße in den thermischen Regelkreis integriert ist, wird sie oft zu einem Teil davon, und die Stromversorgungsdesigner müssen eng mit den Programmierern zusammenarbeiten, um die bestmögliche Reaktionszeit für eine bestimmte Anforderung zu bieten, was sehr interessant ist und sich in der Tat ziemlich von den herkömmlichen Arbeitsweisen bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen unterscheidet.
Von ihrer Entdeckung durch Dr. Mullis im Jahr 1983 bis zur Massenanwendung zum Nachweis des SARS-CoV-2-Virus in Milliarden von Proben hat die PCR-Technologie eine sehr wichtige Rolle in der medizinischen Forschung und im öffentlichen Gesundheitswesen gespielt. Sie ist damit auch zu einem sehr interessanten Tätigkeitsfeld für Ingenieure in der Leistungselektronik geworden, die in enger Zusammenarbeit mit der medizinischen Industrie Stromversorgungslösungen entwerfen (Bild 8), um sehr spezifische Stromversorgungen mit einem hohen Maß an Programmierung und Systemintegration zu entwickeln. Wer sagt, dass Stromversorgung langweilig ist? (uh)