一次伟大的摸鱼,让全世界生物实验室彻底改观

撰文 | 赵杭 对于学生物的小伙伴们来说,一天的大部分时间都是在实验室度过的: 早上起床去看板, 提完质粒忙转染。 可怜春半不还家, 深夜犹在PCR。 说起实验室的仪器设备实验狗们如数...


撰文 | 赵杭

对于学生物的小伙伴们来说,一天的大部分时间都是在实验室度过的:

早上起床去看板,

提完质粒忙转染。

可怜春半不还家,

深夜犹在PCR。

说起实验室的仪器设备实验狗们如数家珍,移液枪、离心机、EP管、超净台更是生物实验室的标配,是实验狗们吃饭的家伙什,但是你们真的了解它吗?

以最常用的移液枪为例,它是谁发明的呀,什么时候发明的呀,最开始是什么样子的,是先有移液枪还是先有枪头?是不是一无所知,瞬间陷入了装样的盲区?

接下来熟读此文,保你以后带师弟师妹们用枪的时候,不仅讲实验口吐莲花,更能侃侃而谈聊八卦,收获他们的星星眼。

1925年,海因里希·施尼特(Heinrich Schnitger)出生于德国威斯特伐利亚(Westphalia)的莱姆戈(Lemgo)。他的父亲是一位发明家,设计了一种曾经广泛使用的自行车锁。施尼特从小耳濡目染,小小年纪就可以对各种小玩意儿修修补补和升级改进,展现了一个发明家的天赋。

二战期间,作为一名德国士兵,他在战场上得到一个好消息和一个坏消息。好消息是他不用上战场送死了;坏消息是,他不用上战场是因为他被检查出肺结核!从战场退下来后,海因里希开始学习医学。多年以后他向同事们提起这件事时说到,他对医学毫无兴趣,学医纯粹为了给自己治病,“保护自己免受无能医生的戕害”。

1957年,“平平无奇”的一年。这一年,苏联发射了第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号;丹麦科学家延斯发现了钠钾泵;一位年轻科学家刚刚当上哈佛助教,他的名字叫詹姆斯·沃森;这一年,另外两位年轻的物理学家杨振宁和李政道得了诺贝尔奖。这一年,33岁的海因里希来到了德国马尔堡大学(University of Marburg),在生理化学研究所所长西奥多·比彻(Theodor Bücher)的研究小组做博后。

海因里希·施尼特

他的导师西奥多给他安排的任务是研究含磷代谢物,实验操作中需要反复吸取不到1毫升有毒的甲酸。海因里希对这种简单重复的流水线式工作嗤之以鼻,更何况当时用来吸取甲酸的仪器也让人开心不起来。

事情还要从19世纪40年代说起,那时候微生物学双雄之一的路易·巴斯德(Louis Pasteur)发现了环境中微生物是造成食物腐败、人体生病非常重要的原因之一,为了研究微生物时候能吸取一些微量液体或者单克隆菌落,巴斯德使用了带尖端的玻璃管:将玻璃管中间烧软,然后拉长拉细截断,这样可以得到尖端非常细的玻璃管,就能容易地移取小体积的液体了。

吹烧玻璃管

是不是很熟悉?没错,他开创的巴斯德移液管(Pasteur pipette)就是实验室常用的胶头滴管的前身(严格来说,成熟的吹烧玻璃管是后人升级的,但是为了纪念巴斯德,于是统一称作“巴斯德移液管”)。

一个世纪过去了,生物学实验室仍旧在巴斯德移液管的基础上改来改去打补丁,到了海因里希这个年代用的嘉士伯吸管(Carlsberg pipette)甚至还要用嘴吸!且不说吸有毒有害液体稍不留神吸到嘴里导致中毒或感染(在1915年的一份报告中,57个实验室报告了47例感染,其中40%是通过口腔移液),就算试剂无毒无害,一不小心满嘴嘎嘣脆的玻璃碴子谁也受不了啊!

用嘴直接吸取试剂

现在的生物狗每天做实验起码得用两三盒枪头,而海因里希只能每天嘴吸几百次,嘴都酸了,导致他干了两天直接摆烂罢工。导师西奥多见他好几天没来实验室,大为光火,但就在导师要发飙准备炒海因里希鱿鱼的时候,海因里希带着一个小玩意儿回来了。

世界上第一把移液枪

这是一个改造后的结核菌素注射器,海因里希在活塞下方添加了一个弹簧,弹簧弹起活塞用来吸取液体,同时弹簧上部设置了挡块以固定每次的移液量。注射器针头也换成了聚乙烯的细塑料管(这个细塑料管就是枪头的前身,移液枪和它的枪头从出生的时候就是锁死的CP,没想到吧)。这个小玩意儿用起来方便轻松,而且没有了用嘴吸的危险,实验室的人用了都说好!

导师西奥多见状大加赞赏,非但不再提解聘的事情反而鼓励海因里希,大致意思就是:你这次摸鱼的结果很好,这个小玩意儿你继续完善完善赶紧搞出来,科研工作可以放一放,摸鱼什么的请加大力度!(还有这好事儿?)很快,海因里希在移液枪1.0的基础上加了第二个弹簧,这样就可以在排液结束时把枪头残留的一丢丢液体“吹”出去,这也就是现代移液枪的“一吸两打”功能的第一次出现。

在制造了第一把移液枪的几个月后,也就是1957年5月3日,海因里希申请了专利,最终于1961年4月24日获得专利批准。没过多久专利就被一家公司买走了,收购专利的不是别人,正是日后大名鼎鼎的Eppendorf公司。Eppendorf公司在收购的同一时期还开发了一种带盖子的小塑料管,也就是EP管。而发明EP管是我们下次要讲的故事。

海因里希的移液枪专利证明

在海因里希发明移液枪的时候已经想过了要配套一次性枪头,当时他尝试用特氟龙为原料制作枪头,但是效果不佳。买断移液枪专利之后,Eppendorf的工程师威廉·伯格曼用聚丙烯替代特氟龙,发现效果奇佳。

之后,能换枪头的移液枪和自带卡扣式帽子的EP管这一组合风靡全球的实验室。而迷你离心机的加入使之成为实验室标配“铁三角”将是我们下下次的故事。

海因里希和Eppendorf公司的移液枪

再到1973年,排枪也出现了,实验狗已经可以快乐地处理96孔板了。

但是到这一步,移液枪还有一个重要功能没有实现,那就是可调节量程。最初的移液枪可以设置多个通道(例如25、50、75、100 μl),勉强算可调节量程,但也只能在这四个里面切换。

1974年法国Gilson推出了第一支单道可调量程移液器,它可以在一定范围内任意调节量程,并把它命名为Pipetman。再之后的70年代末期,Gilson又将吸液/排液按钮与退吸头按钮相互独立。

至此移液器的究极形态进化完成,功能上和现在你在实验室见到的移液枪别无二致了。但是要说那时候地移液枪长相嘛,真的是有点自由发挥、五花八门了。

20世纪70年代风格迥异的移液枪

再后面移液枪发展就没有太大改动了,只是在原有基础上做一些微小升级。加个电动小马达呀,重新排布下布局呀之类的。请注意此时还在70年代,世界上第一个PCR反应还要在几年之后的1983年才出现。

现在常用的移液枪样式

故事讲到这里你可能会问,移液枪的发明人海因里希后来怎么样了呢,为什么一点关于他的消息都没有了呢?因为他去世了。1964年,在巴伐利亚的埃布西(Eibsee)一个湖中游泳时,海因里希·施尼特不幸溺亡。距离他的专利获批仅仅两年多,他离开这个世界的时候不会知道,自己的发明将来会如何风靡全世界的生物实验室。

海因里希向来是一个有发明天赋的人,早在他在马尔堡大学医学院求学时,就发现手动测量血液凝固的实验极其耗时,因此开发了一种仪器,使用两根特殊排列的导线作为电极,电极在血液中来回移动,直到凝结的血液在导线之间形成永久性传导触发一个停止时钟。

几家大公司的开发团队都曾尝试开发这个仪器,但是全都以失败告终,只有他单枪匹马以简陋的条件成功了。如果他没有去世,可能会发明更多对实验室很有帮助的仪器设备。

他发明的移液枪吸起实验室的一滴滴小小液体,掀起了生物科研领域的惊涛骇浪。他自己化身一滴液体,长眠在了1964年巴伐利亚安静的湖面之下。

海因里希·施尼特,1925年5月10日 - 1964年8月27日

参考资料

1.https://biotechinasia.wordpress.com/2015/08/26/a-journey-in-to-the-history-of-micropipettes/

2.https://en.wikipedia.org/wiki/File:Early_pipette.jpg

3.https://www.wiki.de-de.nina.az/Heinrich_Schnitger.html

4.https://pasteur-pipette.com/history-of-pasteur-pipettes/

5.https://www.mta-dialog.de/artikel/heinrich-schnitger-und-die-entwicklung-der-kolbenhubpipette

6.https://www.instructables.com/How-to-Make-a-Your-Own-Glass-Pipette/

7.https://thebiomedicalscientist.net/science/no-more-sucking-60-years-micropipette

8.https://www.chemistryworld.com/opinion/schnitgers-pipette/7789.article

9.https://www.the-scientist.com/foundations-old/the-original-micropipette-48026

10.https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1369176/

11.https://en.wikipedia.org/wiki/Pipette#/media/File:2Pipettierhilfen.jpg

本文经授权转载自微信公众号“iSynBio造物”,审核:懂个皮;编辑:莫十二,原题目为《你知道移液枪是摸鱼的时候发明的吗》,返朴发表时有修订。

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