An dieser Stelle mag man sich fragen, was ein Netzteil mit PCR zu tun hat, doch hinter den Kulissen haben die Netzteilindustrie und die neuesten digitalen Stromversorgungstechnologien maßgeblich dazu beigetragen, den PCR-Prozess effizient und präzise zu gestalten. Bevor wir darauf eingehen, werfen wir einen Blick zurück zu den Anfängen

Einblick in die Doppelhelix:
Wir alle haben in der Schule etwas über das menschliche Erbmaterial gelernt, die Desoxyribonukleinsäure oder DNA. Sie enthält alle genetischen Informationen und Anweisungen, die Organismen für ihre Entwicklung, ihr Wachstum, ihr Überleben und ihre Fortpflanzung benötigen. Entdeckt wurde sie 1866 von Gregor Mendel, dem „Vater der Genetik“. Es dauerte viele Jahre, bis Wissenschaftler den geheimen Code der DNA entschlüsselten und herausfanden, wie er am besten zum Wohle der Menschheit genutzt werden kann.

Abbildung 01: Doppelhelixstruktur der DNA (Mit freundlicher Genehmigung des National Human Genome Research Institute)

1953 wurde ein Meilenstein erreicht, als James Dewey Watson und Francis Harry Compton Crick ihre Erkenntnisse über die Doppelhelixstruktur der DNA veröffentlichten. Diese windet sich zu der typischen, leiterartigen Struktur, die wir alle in vielen repräsentativen Formen sehen (Abbildung 1). Ihre Arbeit wurde 1962 mit dem Nobelpreis für Medizin gewürdigt, den sie sich mit Maurice Hugh Frederick Wilkins für ihre Entdeckungen zur Molekularstruktur der Nukleinsäuren und deren Bedeutung für die Informationsübertragung in lebender Materie teilten.

Die Zusammensetzung der DNA ist vergleichbar mit den einzelnen Buchstaben des Alphabets. In einer bestimmten Reihenfolge kombiniert, bilden sie Wörter, Sätze und Geschichten. Um dieses Buch zu lesen und seinen Inhalt zu verstehen, waren intensive Forschungen nötig. Erst im März 2022 gelang es Wissenschaftlern, die erste vollständige Karte des menschlichen Genoms zu erstellen, das aus mehr als drei Milliarden Basenpaaren besteht. Es ist schwer vorstellbar, was das bedeutet, aber greifbarer ausgedrückt: Es entspräche einem Buch mit einer Million Seiten – genug Lesestoff vor dem Schlafengehen.

Die vollständige Sequenzierung des menschlichen Genoms wurde durch zahlreiche technologische Innovationen ermöglicht. Beispiele hierfür sind die Oxford-Nanopore-DNA-Sequenzierungsmethode, die bis zu einer Million DNA-Bausteine ​​gleichzeitig sequenzieren kann, wenn auch mit einigen Fehlern, und die PacBio-HiFi-DNA-Sequenzierungsmethode, die 20.000 Bausteine ​​mit einer Genauigkeit von 99,9 % lesen kann. Dies sind bemerkenswerte Leistungen, die jedoch ohne die Entdeckungen von Pionieren nicht möglich gewesen wären.

Abbildung 02 Dr. Kary Banks Mullis

Das Verständnis der DNA ist ein sehr wichtiges Forschungsgebiet und ein sich entwickelnder Werkzeugkasten zu ihrer Entschlüsselung; es ist der Traum eines jeden Biochemikers, und es ist erwähnenswert, dass Kary Banks Mullis 1983 die PCR erfand, die dazu beigetragen hat, die Forschung und das Tempo des tiefergehenden Verständnisses der DNA zu steigern (Abbildung 02).

Die DNA-Kopiermaschine ist geboren
. Legende oder Realität? Es heißt, dass Dr. Kary Banks Mullis 1983 auf der Fahrt von der San Francisco Bay Area zu seiner Hütte in Mendocino wie ein Blitz aus heiterem Himmel die Idee hatte, ein bestimmtes DNA-Segment zu lokalisieren und unzählige Kopien davon herzustellen. Damals arbeitete Mullis für die Firma Cetus und konzentrierte sich darauf, seine Vision in ein realisierbares Verfahren umzusetzen.

Nach vielen Höhen und Tiefen reichte Mullis 1987 einen Artikel mit dem Titel „Methoden der Enzymologie“ bei der Fachzeitschrift Nature ein, der die Entwicklung der PCR anstieß. 1993 erhielt er den Nobelpreis für Chemie für die Erfindung der Polymerase-Kettenreaktion (PCR). Das von Mullis 1983 konzipierte Verfahren gilt als eine der bedeutendsten wissenschaftlichen Techniken des 20. Jahrhunderts.

Abbildung 03: Prozesse und Zyklen der PRC (Mit freundlicher Genehmigung des National Institute of Human Genome Research)

Was ist PCR und wie funktioniert sie?
Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist eine Labormethode zur schnellen Herstellung (Amplifikation) von Millionen oder Milliarden Kopien eines spezifischen DNA-Abschnitts, die anschließend genauer untersucht werden können. Bei der PCR werden kurze synthetische DNA-Fragmente, sogenannte Primer, verwendet, um einen zu amplifizierenden Genomabschnitt auszuwählen. Anschließend wird dieser Abschnitt in mehreren Zyklen der DNA-Synthese vervielfältigt (Abbildung 3). Dieser spezielle Prozess erfordert, dass die Proben in Reaktionsgefäße gegeben und sehr präzisen Temperaturzyklen ausgesetzt werden – und genau hier trifft Nahrung auf DNA!

Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte, von denen drei jedoch die wichtigsten sind (Denaturierung, Annealing, Extension) und mehrfach wiederholt werden, um Kopien der DNA-Abschnitte herzustellen (Abbildung 4). Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, lassen sich die drei entscheidenden Schritte wie folgt zusammenfassen:

Erster Schritt – Denaturierung:
Die im Röhrchen enthaltene Präparation wird auf mindestens 94 °C erhitzt. Durch die Hitze werden die Wasserstoffbrückenbindungen der ursprünglichen DNA-Probe aufgebrochen und die DNA in Einzelstränge getrennt.

Zweiter Schritt – Annealing:
Die Temperatur wird auf etwa 5 °C unterhalb des Schmelzpunkts der Primer, zwischen 50 und 60 °C, gesenkt. Dadurch können die DNA-Primer und die DNA-Polymerase an die durch die Hitze getrennten DNA-Stränge binden. Nun paaren sich die Nukleotide (A, T, C, G) aus der zugegebenen Lösung mit den durch die Erhitzung entstandenen DNA-Strängen.

Dritter Schritt – Verlängerung.
Anschließend wird die Temperatur auf 72 °C erhöht, um die Verlängerung einzuleiten. Sobald die Segmente verbunden sind, bilden sie einen neuen komplementären DNA-Strang. Aus jedem der Einzelstränge des ursprünglichen DNA-Moleküls entsteht ein neues, dupliziertes, doppelsträngiges DNA-Molekül. Nach Abschluss der Sequenzierung wird die Temperatur erneut erhöht, um einen neuen Zyklus zu starten.

Die Schritte eins bis drei werden 30 bis 40 Mal wiederholt, wodurch die Heiz- und Kühlzyklen des Prozesses automatisch wiederholt werden. Dies dupliziert die DNA-Sequenz bei jedem Heiz-/Kühlzyklus. Am Ende des Prozesses werden Millionen von Kopien der ursprünglichen Probe gewonnen.

Vierter Schritt – Abschließende Verlängerung und Lagerung.
Eine abschließende Verlängerung ist erforderlich, um die korrekte Synthese aller PCR-Produkte zu gewährleisten, typischerweise bei 72 °C für 10 Minuten. Anschließend sollte die Temperatur auf 4 °C gesenkt werden, um das PCR-Produkt bis zur Analyse zu lagern.

Je nach Endziel, Zeitaufwand oder erforderlicher Genauigkeit werden häufig Variationen dieses Verfahrens eingesetzt, zum Beispiel quantitative Echtzeit-PCR (qPCR), Reverse-Transkriptions-PCR (RT-PCR), quantitative Reverse-Transkriptions-PCR (RT-qPCR), digitale PCR (dPCR), digitale Tröpfchen-PCR (ddPCR) und mikrofluidische PCR.

Abbildung 05: Typische PCR-Laborausrüstung (PRBX/ Natatravel/Shutterstock)

Stromversorgung für effiziente PCR:
Viele medizinische Anwendungen erfordern eine Temperaturkontrolle, beispielsweise Neugeboreneninkubatoren, die Erwärmung von Blut bei Hämolyse und Laborbrutkammern. Die meisten dieser Anwendungen benötigen eine präzise Temperaturregelung, und die meisten medizinischen Netzteile mit Ausgangsspannungsregelung sind dafür geeignet. PCR-Geräte (Abbildung 5) hingegen, die aufgrund ihrer spezifischen Temperaturzyklen hohe Präzision und repetitive Sequenzen erfordern, benötigen eine spezielle Stromversorgungslösung. Diese Systeme verfolgen häufig einen modularen Ansatz, bei dem Stromversorgung und Steuerung in den Temperaturregelkreis der PCR integriert sind.

Wie in Abbildung 4 dargestellt, sind die Temperaturzyklen sehr kurz. Das Heizelement muss seine Temperatur innerhalb von vier Minuten zwischen +95 °C (hoch), +50 °C (niedrig), +72 °C (Plateau) und wieder +95 °C anpassen. Dieser Zyklus wird 30 bis 40 Mal mit sehr hoher Genauigkeit wiederholt.

Es gibt verschiedene Methoden zur Temperaturerzeugung und -regelung in Thermocyclern, viele nutzen jedoch Peltier-Elemente. Obwohl der Peltier-Effekt primär zur Kühlung eingesetzt wird, kann er auch zum Heizen oder zur Temperaturregelung verwendet werden. Er lässt sich zudem mit einem weiteren Heizelement kombinieren und durch kontrollierte Hysterese zur Kühlung der Thermokammer nutzen.

Abbildung06: Konventionelle Stromversorgung mit digitaler Steuerung und Überwachung über digitalen Eingang, z. B. PMBus (PRBX)

Hersteller von PCR-Thermocyclern haben hochkomplexe Algorithmen entwickelt, um die Temperatur präzise einzustellen und zu regeln. Mit der Einführung digitaler Leistungs- und Energiesteuerung ist es einfacher geworden, die CPU des Thermocyclers mit der Schaltstufe zu verbinden und Spannung und Strom über eine digitale Schnittstelle wie PMBus zu steuern, um die Heiz-/Kühlelemente zu versorgen (Abbildung 06).

In einigen Fällen wird das PWM-Signal vom Thermocycler-Controller erzeugt und in die Schaltstufe des Netzteils eingespeist, um die Parameter ohne zusätzliche Schritte präzise zu steuern (Abbildung 07).

Da die Leistungsstufe stark in den thermischen Regelkreis integriert ist, wird sie oft Teil davon, und die Entwickler von Leistungselektronik müssen eng mit den Programmierern zusammenarbeiten, um die optimale Reaktionszeit auf eine bestimmte Anforderung zu erreichen. Dies ist sehr interessant und unterscheidet sich in der Tat deutlich von den herkömmlichen Arbeitsweisen bei der Entwicklung von Stromversorgungslösungen.

Zusammenfassend lässt sich sagen:
Seit ihrer Entdeckung durch Dr. Kary Banks Mullis im Jahr 1983 und ihrer weitverbreiteten Anwendung zum Nachweis des SARS-CoV-2-Virus in Milliarden von Proben hat die PCR-Technologie eine entscheidende Rolle in der medizinischen Forschung und im öffentlichen Gesundheitswesen gespielt. Sie war zudem ein äußerst interessantes Feld für Leistungselektronikingenieure, die in enger Zusammenarbeit mit der Medizintechnik hochspezifische Stromversorgungslösungen (Abbildung 8) mit hoher Programmierbarkeit und Systemintegration entwickelten.

Wer behauptet, die Welt der Stromversorgungen sei langweilig?

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Referenzen:
Powerbox (PRBX):
https://www.prbx.com/

Dr. Kary Banks Mullis
https://www.karymullis.com/

Die vollständige Sequenz des menschlichen Genoms
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj6987

Nationales Forschungsinstitut für das menschliche Genom
https://www.genome.gov/

Weitere Informationen
finden Sie unter www.prbx.com.
Kontaktieren Sie Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor,
unter +46 (0)158 703 00.

Referenz: PRBX-A-051-ES

Über den Autor:
Patrick Le Fèvre, Marketing- und Kommunikationsdirektor bei Powerbox, ist Marketingexperte und Ingenieur mit 40 Jahren Erfahrung in der Leistungselektronik. Er gilt als Pionier in der Kommerzialisierung neuer Technologien wie digitaler Energie und in technischen Initiativen zur Reduzierung des Energieverbrauchs. Le Fèvre hat zahlreiche Fachartikel und Beiträge auf führenden internationalen Konferenzen für Leistungselektronik verfasst und präsentiert. Diese wurden weltweit über 450 Mal in Medien veröffentlicht. Er engagiert sich zudem in verschiedenen Umweltforen und teilt dort seine Erfahrungen und sein Wissen im Bereich saubere Energie.
Patrick Le Fèvre,
Marketing- und Kommunikationsdirektor, Powerbox