AUC в 1930-е годы: изобретения Бимса и Пикельса

Новость об аналитическом центрифугировании начала быстро распространяться по миру. В 1930-х гг. инициативные ученые начали думать о том, каким образом можно было бы усовершенствовать метод.

В начале десятилетия французский химик Эмиль Генрио разработал центрифугу, которая достигала высоких скоростей вращения благодаря бесподшипниковой верхней части, приводимой в движение сжатым воздухом. Это упростило использование ультрацентрифуг для пробоподготовки.

Также в 1930-х гг. был разработан и внедрен шлирен-метод, который еще несколько десятков лет будет более популярным в применении, чем AUC.3

Джесси Уокефилд Бимс

Jesse Wakefield Beams

Самый важный этап в развитии AUC начался с американского физика Джесси Уокефилда Бимса, который, вдохновленный системой Генрио, создал свою версию ультрацентрифуги. Многое он позаимствовал из своего же раннего изобретения – камеры для высокоскоростной съемки.

Эта камера состояла из быстро вращающихся зеркал, установленных на конических вращающихся верхних частях. Как и в центрифуге Генрио, они приводились в движение сжатым воздухом.

Когда Бимс начал делать вращающиеся верхние части полыми, ему удалось создать по-настоящему маленькие центрифуги. При этом он называл их ультрацентрифугами из-за высоких скоростей вращения, которых удавалось достигать с некоторыми из его роторов (по сообщениям от 180 000 до более, чем 1 млн. об/мин). Конечно же при таких существенных скоростях роторы сильно нагревались, что усиливало конвекционные потоки в осажденных растворах. В то время как Бимс пытался устранить эту проблему, над задачей по усовершенствованию изобретения своего учителя начал думать Эдвард Грейдон Пикельс - самый перспективный студент Бимса из Университета Виргинии.

В 1935 году Пикельс решил проблему перегревающихся роторов, изобретя инструмент, в котором ротор вращался в вакууме. Для сравнения, в ранних конструкциях Сведберг помещал роторы в водородную атмосферу низкого давления.1

С облегчением проблемы конвекционных потоков ультрацентрифуги Пикельса и Сведберга смогли разгоняться почти до 1 млн. х g. Это настолько впечатлило ученых из Рокфеллеровского института медицинских исследований в Нью-Йорке, что они наняли Пикельса для реализации дальнейших необходимых им усовершенствований инструмента. Там он работал над двумя разными типами ультрацентрифуг: препаративной, используемой прежде всего для концентрирования вирусов, и аналитической – для определения размеров частиц.

«По всей видимости, самыми важными являются два типа центрифуг, - писал Пикельс в 1937 году о своей работе. – Центрифуги первого типа необходимы для концентрирования и очистки вирусов и поэтому способны вмещать относительно большие объемы жидкостей; вторые оснащены оптическими системами, подходящими для изучения физических характеристик вирусов путем определения их констант седиментации в сильном поле центробежных сил.»7

Совместно с Йоханнесом Х. Бауэром – новым коллегой из Рокфеллеровского института – Пикельс усовершенствовал свою версию аналитической ультрацентрифуги. Принцип ее работы, как и изобретения Сведберга, очень похож на принцип работы современных AUC-инструментов.

Камера этой ультрацентрифуги имела два кварцевых окна, позволяющих наблюдать и фотографировать процесс седиментации. Каждый кварцевый диск был зацементирован в округлую латунную раму, которая была прикреплена к стальной пластине. Между рамами окон и стальными пластинами вставляли резиновые прокладки для формирования вакуумной изоляции.

Над верхним окном размещали кусок металлической трубки, соединенной с мехами камеры, который защищал окно от пыли, а оптику камеры от рассеянного света. Для хронометража фотографической экспозиции в оптический путь света над нижним окном был встроен электромагнитный затвор.

За исключением некоторых небольших модификаций оптическая система приводимой в движение воздухом ультрацентрифуги Пикельса/Бауэра чрезвычайно похожа на оптическую систему, изобретенную Сведбергом для его ультрацентрифуги с масляно-турбинным двигателем.7

The vacuum chamber and driving mechanism of Pickels’ ultracentrifuge

Пока Пикельс и Бауэр работали над своим изобретением, Бимс также упорно работал над собственной вакуумной ультрацентрифугой, рассчитывая продавать свои инструменты другим исследователям.

Хотя большинство считало конструкцию Бимса более простой и легкой в использовании, чем другие, его вакуумную ультрацентрифугу в то время покупало ограниченное количество ученых. К 1937 году инструмент был широко представлен на рынке, но по сути уже был очевиден коммерческий провал. Всего несколько лет спустя стокгольмская компания начала продавать ультрацентрифугу Сведберга. Но коммерческого успеха она тоже не достигла, по всей видимости, из-за цены $20 000. 6

Sedimentation of crystalline egg albumin in 1% solution at a speed of 60,000 RPM; photographs taken at 20-minute intervals

Бимс, чьей страстью всегда была физика, продолжил развивать науку как первопроходец использования ультрацентрифуги для разделения атомных изотопов урана, сыграв, таким образом, важную роль в Манхэттенском проекте.

В области же life sciences крупный вклад в историю AUC сделал его бывший студент Пикельс.

После провала продаж аналитических ультрацентрифуг в Америке и Европе казалось, что развитие AUC замедлилось. В действительности, для появления коммерчески успешной аналитической ультрацентрифуги понадобилось еще около 10 лет.

1 Koehler CSW. Developing the ultracentrifuge. Today’s Chemist at Work 2003:(2)63-66.
3 Serdyuk IN, Zaccai NR, Zaccai J. Methods in molecular biophysics: structure, dynamics, function. 1st ed. New York (NY): Cambridge University Press; 2007.
6 Bud R, Warner D, editors. Instruments of science – an historical encyclopedia (Garland encyclopedias in the history of science). 1st ed. New York (NY): Garland Publishers, Inc.; 1998.
7 Bauer JH, Pickels EG. An improved air-driven type of ultracentrifuge for molecular sedimentation. New York (NY): The Laboratories of the International Health Division, The Rockefeller Foundation; 1937.