🌀 Zentrifuge

Die relative Zentrifugalbeschleunigung (RZB), ausgedrückt als Vielfaches der Erdbeschleunigung (× g), ist die effektive Zentrifugalbeschleunigung, die auf die Probe wirkt. Sie wird berechnet als RZB = 1,118 × 10⁻⁵ × r × N², wobei r der Rotorradius in Zentimetern und N die Rotordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) ist. Eine typische Labor-Mikrozentrifuge erzeugt bei 12.000 U/min und einem Rotorradius von 8 cm etwa 10.700 × g, wodurch ein 1-Mikrometer-Proteinaggregat in unter einer Minute sedimentiert.

Das Stokes-Gesetz beschreibt die Widerstandskraft auf ein kleines kugelförmiges Partikel, das sich durch eine viskose Flüssigkeit bewegt: F_Widerstand = 6πηrv, wobei η die dynamische Viskosität, r der Partikelradius und v die Geschwindigkeit ist. Bei Sedimentationsendgeschwindigkeit gleicht dieser Widerstand die Netto-Schwerkraft oder Zentrifugalkraft aus, was v ∝ r² × (ρ_p − ρ_f) ergibt. Das bedeutet, größere und dichtere Partikel sedimentieren viel schneller — eine Verdopplung des Radius vervierfacht die Sedimentationsgeschwindigkeit —, weshalb Ultrazentrifugen Proteinuntereinheiten auflösen können, die sich nur um wenige Kilodalton unterscheiden.

Vollblut, das etwa 10 Minuten bei 2.000–3.000 × g rotiert wird, trennt sich in drei Schichten: ein unteres Erythrozytensediment (Dichte ~1,10 g/mL), eine dünne „Buffy Coat"-Schicht aus weißen Blutkörperchen und Blutplättchen (~1,06 g/mL) und eine obere Plasmaschicht (~1,025 g/mL). Blutbanken führen diese Trennung routinemäßig durch, um Erythrozytenkonzentrate für die Anämiebehandlung, Thrombozytenkonzentrate für Gerinnungsstörungen und Frischplasma herzustellen. Eine präzisere Fraktionierung von Blutbestandteilen, etwa die Isolierung bestimmter Immunzellpopulationen, erfordert Dichtegradientenzentrifugation.

Die differenzielle Zentrifugation nutzt schrittweise erhöhte Zentrifugalkraft, um zunehmend kleinere Partikel zu sedimentieren: Zellkerne bei ~600 × g, Mitochondrien bei ~10.000 × g, Mikrosomen bei ~100.000 × g. Bei der Dichtegradientenzentrifugation wird die Probe auf einen kontinuierlichen oder stufenweisen Gradienten eines dichten Stoffes (Saccharose oder CsCl) geschichtet und zentrifugiert, bis Partikel zu der Position wandern, an der ihre Dichte der umgebenden Flüssigkeit entspricht (isopyknisch) oder wo größenabhängige Geschwindigkeit sie stoppt (ratenzonal). Dichtegradientenmethoden dienen der Reinigung von Viren, DNA und Proteinkomplexen.

Ultrazentrifugen arbeiten bei 150.000–800.000 × g (bis zu ~100.000 U/min) und können Makromoleküle allein nach Größe trennen. Die analytische Ultrazentrifuge, in den 1920er-Jahren von Theodor Svedberg erfunden, verfolgt die Wanderung von Molekülen in Echtzeit mittels optischer Erkennung und erlaubt die Berechnung von Molekulargewicht und Form. Sedimentationskoeffizienten werden in Svedberg-Einheiten (S) angegeben: Das 70S-Bakterienribosom besteht aus einer 50S-großen und einer 30S-kleinen Untereinheit (die Einheiten sind nicht additiv, da auch die Form eine Rolle spielt).

Natürliches Uran enthält nur 0,7 % des spaltbaren Isotops ²³⁵U; Kernreaktoren benötigen 3–5 % Anreicherung, waffenfähiges Material über 90 %. Gaszentrifugen rotieren Uranhexafluorid (UF₆)-Gas mit ~50.000 U/min; die schwereren ²³⁸U-Moleküle wandern nach außen, während sich ²³⁵U in der Nähe der Achse ansammelt. Einzelne Zentrifugen erreichen nur einen Trennfaktor von ~1,3 pro Stufe, daher sind Hunderte kaskadierter Maschinen nötig. Gaszentrifugenkaskaden sind deutlich energieeffizienter als ältere Gasdiffusionsanlagen.

Der Sedimentationskoeffizient s ist das Verhältnis der Sedimentationsgeschwindigkeit eines Partikels zur Zentrifugalbeschleunigung: s = v / (ω²R). Er hat die Einheit Sekunden, aber typische biologische Makromoleküle haben Werte von 10⁻¹³ s, weshalb die Svedberg-Einheit (S) als 10⁻¹³ s definiert ist. Gängige Referenzwerte: DNA-Nukleosomen liegen bei ~11S, das 20S-Proteasom bei ~20S und mitochondriale Ribosomen bei ~55S. Svedberg-Werte hängen sowohl von der Molekülmasse als auch von der Form ab — längliche Moleküle sedimentieren langsamer als kompakte Kugeln gleicher Masse.

Die Zeit t, die ein Partikel benötigt, um vom oberen zum unteren Ende eines Röhrchens zu sedimentieren, beträgt näherungsweise t = ln(r_unten / r_oben) / (s × ω²), wobei r_unten und r_oben die radialen Abstände von Röhrchenboden und Meniskus zur Rotorachse sind, s der Sedimentationskoeffizient und ω die Winkelgeschwindigkeit in rad/s. In der Praxis übersetzen Tabellen oder Online-Rechner diese Formel in „Y Minuten bei X × g laufen lassen, um Partikel größer als Z nm zu sedimentieren", unter Berücksichtigung der Rotorgeometrie. Sedimentationszeiten skalieren umgekehrt mit der RZB — eine Verdopplung der Geschwindigkeit halbiert etwa die Zeit.

Ein katastrophales Rotorversagen durch Unwucht, Materialermüdung oder Röhrchenbruch kann Energie in der Größenordnung einer Explosion freisetzen; Rotoren sind in dicken, gepanzerten Kammern eingeschlossen, die die Trümmer zurückhalten sollen. Strenge Ausgleichsanforderungen (typischerweise innerhalb von 0,1 g Unterschied zwischen gegenüberliegenden Röhrchen) verhindern Resonanzschwingungen, die Lager belasten. Biologische Proben erfordern eine Einhausung in versiegelten Rotoren oder aerosoldichten Röhrchen, und Läufe müssen bei infektiösem Material in biosicherheitsgerechten Schränken durchgeführt werden, um Aerosolfreisetzung zu verhindern.

Bei der isopyknischen Zentrifugation wird die Probe in einen dichten Stoff wie Caesiumchlorid (CsCl) eingemischt und viele Stunden zentrifugiert, bis der Stoff selbst einen Dichtegradienten bildet und jedes Partikel zu seinem exakten Auftriebsdichte-Gleichgewichtspunkt wandert. Diese Technik wurde 1958 im Meselson-Stahl-Experiment verwendet, um die semikonservative DNA-Replikation nachzuweisen, indem ¹⁴N-DNA von ¹⁵N-DNA (Unterschied von nur ~0,014 g/mL) in CsCl-Gradienten bei 140.000 × g aufgelöst wurde.