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So gelingt effizientes Freezer- und Probenmanagement

Labor-Freezer: Wer spart am meisten?

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Tipp: Die Lagertemperatur beachten

Viele Proben und Kits werden bei -80 °C gelagert, obwohl dies oftmals gar nicht notwendig ist. Die meisten Proteine, Bakterien, Hefen und Pilze können auch über Jahre problemlos bei -70 °C gelagert werden [6, 7]. Für einige Kits wird vom Hersteller selber eine Lagertemperatur von -70 °C empfohlen [8]. Allein durch das Heraufsetzen der Temperatur auf -70 °C können, je nach Freezer, bis zu 40% an Energie eingespart werden [4]. Viele Universitäten haben ihre Freezer bereits umgestellt: So werden 50% der Freezer an der Universität Boulder bei -70 °C betrieben und das Center for Disease Control and Prevention konnte durch die Umstellung 40% Energie einsparen [9]. Weiterhin müssen viele Proben, ob molekularbiologisches Material oder Proteine, nicht unbedingt bei -70 °C gelagert werden, sondern eine Lagertemperatur von -20 °C reicht aus. Dies ist vor allem der Fall, wenn die Proben nur für kurze Zeit gelagert werden müssen. So haben Stabilitätsuntersuchungen an genomischer DNA und RNA gezeigt, dass es keinen Unterschied macht, ob diese bei -20 °C oder bei -80 °C gelagert werden. So bleibt RNA über einen Zeitraum von einem Monat gleich stabil, egal ob sie bei -20 °C oder -80 °C gelagert wurde [10]. Dasselbe gilt für genomische DNA, deren Stabilität bei beiden Temperaturen über einen Zeitraum von 24 Monaten erhalten blieb [11].

Traditionell werden DNA- und RNA-Proben bei tiefen Temperaturen gelagert. Seit einigen Jahren gibt es Methoden, die die Lagerung von DNA und auch RNA bei Raumtemperatur erlauben [12, 13]. Diese beruhen beispielsweise auf der Fixierung von DNA auf speziell imprägnierten Cellulosekarten [14], auf der Lagerung in einer speziellen Matrix [15] oder in speziellen Glas-Metalltubes unter Sauerstoff- und Feuchtigkeitsausschluss [16]. Die Lagerung von DNA auf so genannten FTA-Karten ist eine sehr einfache und schnelle Methode. Bei den FTA-Karten handelt es sich um speziell imprägnierte Cellulose, auf die die zu untersuchende Probe, beispielsweise Blut, Pflanzenmaterial oder Bakterienzellen, aufgetropft und anschließend getrocknet wird. Die Zellen werden auf der Oberfläche lysiert und die dabei freigesetzte DNA wird in der Cellulosematrix fixiert. Eventuell vorhandene Nukleasen werden durch das Coating denaturiert und das Wachstum von Mikroorganismen während der Lagerungsphase wird ebenfalls inhibiert. Dabei werden vom Hersteller GE Healthcare Lagerungsphasen von bis zu 17 Jahren angegeben, ohne dass die Proben degradiert wären. Für die DNA-Analyse wird einfach ein kleines Stück herausgestanzt und die DNA nach einem vorgeschriebenen Protokoll eluiert. Die isolierte DNA kann in weiteren Downstream-Applikationen eingesetzt werden, wie PCR oder SNP-Genotyping [14]. Eine andere Methode greift auf den Mechanismus der Anhydrobiose aus der Natur zurück, wie ihn beispielsweise Tardigrade (Bärtierchen) und Salinenkrebse nutzen. Diese Tiere können Phasen extremer Trockenheit überstehen und nahezu vollständig austrocknen, um nach Zufuhr von Wasser die ursprünglichen Lebensfunktionen wieder komplett aufzunehmen. Die Technologie der Lagerung beruht darauf, während des Trocknungsvorgangs eine thermostabile, glasähnliche Schutzschicht um die DNA bzw. RNA aufzubauen und damit die Degradation bei Raumtemperatur zu verhindern [15]. Die Probe wird in eine spezielle Matrix aufgenommen, wobei die Firma Gentegra eine spezielle chemische Matrix verwendet, die die DNA in eine Art „Kokon“ einbettet [17]. Die Kits der Firma Biomatrica packen die DNA wiederum in eine Art Folie ein, was sie selber als „shrink-wrapping“ bezeichnet [18]. Bei letzteren ist es wichtig, dass die Proben komplett dehydriert werden und während der Lagerung nicht mit Wasser in Kontakt kommen. Um die Proben zu analysieren, wird einfach Wasser dazugegeben, die Matrix mitsamt der DNA bzw. RNA löst sich auf und kann für weitere Untersuchungen ohne weiteren Aufreinigungsschritt direkt verwendet werden. Bei der Lagerung von RNA-Proben ist zusätzlich ein RNAse-Inhibitor im Kit vorhanden.

Eine letzte Methode zur DNA- und RNA-Aufbewahrung bietet das französische Unternehmen Imagene an. Hier werden Proben eingeschickt, getrocknet und anschließend unter absoluter Wasser- und Sauerstofffreiheit in speziell metallummantelten Glastubes versiegelt. Auf diese Weise soll garantiert werden, dass die so gelagerte DNA bzw. RNA weder durch Hydrolyseprozesse aufgrund der Luftfeuchtigkeit noch durch Sauerstoffradikale angegriffen wird [16]. Neben der Energieeinsparung sind der viel geringere Platzverbrauch und damit ebenfalls geringere Kosten sowie die Sicherheit zu nennen. Denn bei einem Stromausfall können wertvolle Proben, die im Freezer gelagert werden, unwiederbringlich verloren gehen. Dies ist bei der Raumtemperatur-Lagerung nicht der Fall ist.

Schließlich gibt es auch Reagenzien und Kits für die Molekularbiologie, die bei Raumtemperatur gelagert werden können. Bereits seit vielen Jahren sind die so genannten „Ready-To-Go-beads“ (RTG-beads) auf dem Markt. Hier befinden sich beispielsweise die für eine PCR-Reaktion notwendigen Reagenzien, außer Template und Primer, in lyophilisierter Form in einer speziellen Matrix. Diese liegt als Kügelchen in einem PCR-Tube vor und der Nutzer muss nur noch die entsprechende Menge an Wasser, Template und Primer zugeben und die Reaktion in gewohnter Weise starten und weiter verarbeiten [19].

Durch all diese Maßnahmen ist vielleicht der ein oder andere Kühlschrank und Freezer überflüssig geworden – dann wird es Zeit, die ältesten „Energiefresser“ zu entsorgen. Vielleicht ist nun auch genug Geld für eine Neuanschaffung vorhanden? Dann sollte selbstverständlich auf die Energieeffizienz geachtet werden. Eventuell höhere Anschaffungskosten können sich über den Nutzungszeitraum durch die Energieeinsparungen wieder amortisieren. Bei der Bewertung kann auf die Herstellerangaben geachtet werden, denn ein Siegel für energieeffiziente Tiefkühlgeräte gibt es mit dem „Energy Star“ bislang nur in den USA. Momentan wird mit dem „Egnaton-Cert“-Standard aber ein umfassender Zertifizierungsstandard zur Bewertung der Nachhaltigkeitsperformance für verschiedenste Laborgeräte entwickelt, der auch Tiefkühlschränke umfassen wird.

Gerade für Universitäten kann sich schließlich das gemeinsame Nutzen eines großen Freezers oder Kühlschranks durch mehrere Gruppen anbieten. Denn erstens verbrauchen größere Geräte im Verhältnis weniger Energie als kleinere, zweitens kann insgesamt Platz eingespart werden und drittens sind die Anschaffungskosten für das einzelne Labor geringer.

Und welche Maßnahmen gibt es noch?

In manchen Labors werden auch schon weitere Energiespar-Maßnahmen praktiziert. Eine Idee ist es, die Proben nach Langzeit- und Kurzzeitproben aufzuteilen und in zwei verschiedenen Geräten zu lagern. Schließlich kann auch bei einer Proteinreinigung überlegt werden, ob alle Chromatographieschritte wirklich im Kühlraum durchgeführt werden müssen. Denn viele Proteine sind bei Raumtemperatur stabil und könnten daher auch bei dieser Temperatur gereinigt werden.

Zusammenfassend gibt es eine Vielzahl an Möglichkeiten. Nicht alle sind für jedes Labor geeignet, aber die eigenen Methoden, das Proben- und Gerätemanagement einer genauen Analyse zu unterziehen, bringt sicherlich die ein oder andere Verbesserungsmöglichkeit. Mit der „Freezer Challenge“ hat nun jedes Labor bis Ende April 2018 die Möglichkeit, verschiedene Maßnahmen umzusetzen oder auch bereits umgesetzte als Best-practice-Beispiele zu verbreiten, Ressourcen zu sparen und eventuell sogar einen Preis zu gewinnen.

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