כשאתה חושב על שדות חשמליים, אתה כנראה חושב על- החומר שמאפשר את החיים המודרניים על ידי הפעלת כל דבר ממכשירי חשמל ביתיים ועד טלפונים סלולריים. חוקרים חקרו את עקרונות החשמלמאז שנות ה-1600.בנג'מין פרנקלין, המפורסם בניסוי העפיפונים שלו, הוכיח שהברק אכן היה חשמלי.
החשמל איפשר גם התקדמות גדולה בביולוגיה. טכניקה שנקראתאלקטרופורזהמאפשר למדענים לנתח את מולקולות החיים -וחלבונים - על ידי הפרדתם על ידי המטען החשמלי שלהם. אלקטרופורזה נלמדת לא רק בדרך כלל בביולוגיה בתיכון, אלא היא גם סוס עבודה של מעבדות קליניות ומחקר רבות,כולל שלי.
אני אפרופסור להנדסה ביו-רפואיתשעובד עם מערכות אלקטרופורטיות ממוזערות. יחד, התלמידים שלי ואני מפתחים גרסאות ניידות של המכשירים האלה שמזהים במהירות פתוגנים ומסייעים לחוקרים להילחם בהם.
מהי אלקטרופורזה?
חוקרים גילו אלקטרופורזהבמאה ה-19על ידי הפעלת מתח חשמלי על חלקיקי חימר והתבוננות כיצד הם נדדו דרך שכבת חול. לאחר התקדמות נוספת במהלך המאה ה-20, האלקטרופורזה הפכה לסטנדרט במעבדות.
כדי להבין כיצד פועלת אלקטרופורזה, ראשית עלינו להסבירשדות חשמליים. אלו כוחות בלתי נראים שחלקיקים טעונים חשמלית, כמו פרוטונים ואלקטרונים, מפעילים זה על זה. חלקיק בעל מטען חשמלי חיובי, למשל, יימשך לכיוון חלקיק בעל מטען שלילי. חוק "הפכים מושכים" חל כאן. למולקולות יכול להיות גם מטען; אם זה יותר חיובי או שלילי תלוי בסוגים שלשמרכיבים את זה.
באלקטרופורזה נוצר שדה חשמלי בין שתי אלקטרודות המחוברות לאספקת חשמל. לאלקטרודה אחת יש מטען חיובי ולשנייה מטען שלילי. הם ממוקמים בצדדים מנוגדים של מיכל מלא במים ומעט מלח, שיכול להוליך חשמל.
כאשר מולקולות טעונות כגון DNA ונמצאים במים, האלקטרודות יוצרות ביניהן שדה כוח שדוחף את החלקיקים הטעונים לעבר האלקטרודה הטעונה הפוכה. תהליך זה נקראהגירה אלקטרופורטית.
קָשׁוּר:
חוקרים אוהבים אלקטרופורזה מכיוון שהיא מהירה וגמישה. אלקטרופורזה יכולה לעזור לנתח סוגים שונים של חלקיקים, ממולקולות ועד חיידקים. יתר על כן, ניתן לבצע אלקטרופורזה עם חומרים כגון נייר, ג'לים וצינורות דקים.
בשנת 1972, פיזיקאיסטניסלב דוכיןועמיתיו צפו בסוג אחר של הגירה אלקטרופורטית הנקראתאלקטרופורזה לא ליניאריתשיכולים להפריד בין חלקיקים לא רק לפי המטען החשמלי שלהם אלא גם לפי גודלם וצורתם.
שדות חשמליים ופתוגנים
התקדמות נוספת באלקטרופורזה הפכה אותו לכלי שימושי להילחם בפתוגנים. בפרט, המהפכת המיקרופלואידיקהאפשרו אתמעבדות זעירותהמאפשרים לחוקרים לזהות במהירות פתוגנים.
בשנת 1999, חוקרים גילו שמערכות אלקטרופורזה זעירות אלו יכולות גם כןלהפריד בין פתוגנים שלמיםעל ידי הבדלים במטען החשמלי שלהם. הם הניחו תערובת של כמה סוגי חיידקים בנימי זכוכית דק מאוד שנחשף אז לשדה חשמלי. כַּמָהיצאו מהמכשיר מהר יותר מאחרים בשל המטענים החשמליים המובהקים שלהם, מה שמאפשר להפריד את החיידקים לפי סוג. מדידת מהירויות הנדידה שלהם אפשרה למדענים לזהות כל סוג של חיידק הקיים בדגימה באמצעות תהליך שנמשך פחות מ-20 דקות.
Microfluidics שיפרה תהליך זה עוד יותר. התקנים מיקרופלואידיים קטנים מספיק כדי להיכנס לכף היד שלך. הגודל המיניאטורי שלהם מאפשר להם לבצע ניתוחים הרבה יותר מהר מציוד מעבדה קונבנציונלי מכיוון שחלקיקים אינם צריכים לעבור כל כך רחוק דרך המכשיר לניתוח. המשמעות היא שהמולקולות או הפתוגנים שחוקרים מחפשים מתגלים בקלות רבה יותר ופחות סביר שיאבדו במהלך הניתוח.
לדוגמה, דגימות שנותחו באמצעות מערכות אלקטרופורזה קונבנציונליות יצטרכו לעבור דרך צינורות נימיים שאורכם כ-11 עד 31 אינץ' (30 עד 80 סנטימטרים). עיבוד אלה עשוי להימשך 40 עד 50 דקות ואינם ניידים. לשם השוואה, דגימות נותחו עםמערכות אלקטרופורזה זעירותנודדים דרך מיקרו-ערוצים שאורכם רק 0.4 עד 2 אינץ' (1 עד 5 סנטימטרים). זה מתורגם למכשירים קטנים וניידים עם זמני ניתוח של בערךשתיים עד שלוש דקות.
אלקטרופורזה לא ליניארית אפשרה מכשירים חזקים יותר בכך שאפשרה לחוקרים להפריד ולזהות פתוגנים לפי גודלם וצורתם. עמיתיי למעבדה ואני הראינו ששילוב של אלקטרופורזה לא ליניארית עם מיקרופלואידיקה לא יכול רקסוגים נפרדים של תאים חיידקייםאלא גםתאי חיידקים חיים ומתים.
מערכות אלקטרופורזה זעירות ברפואה
לאלקטרופורזה מיקרופלואידית יש פוטנציאל להיות שימושי בכל תעשיות. בעיקר, מערכות קטנות אלה יכולות להחליף שיטות ניתוח קונבנציונליות בתוצאות מהירות יותר, נוחות רבה יותר ועלות נמוכה יותר.
למשל, מתיבדיקת יעילות האנטיביוטיקה, המכשירים הזעירים האלה יכולים לעזור לחוקרים לקבוע במהירות אם פתוגנים מתים לאחר הטיפול. זה גם יכול לעזור לרופאים להחליט איזו תרופה המתאימה ביותר לחולה על ידי הבחנה מהירה בין חיידקים נורמליים לחיידקים עמידים לאנטיביוטיקה.
המעבדה שלי עובדת גם על פיתוח מערכות מיקרואלקטרופורזה לטיהורוירוסים בקטריופאג'יםשאפשר להתרגל אליולטפל בזיהומים חיידקיים.
עם פיתוח נוסף, כוחם של שדות חשמליים ומיקרו-נוזלים יכולים להאיץ את האופן שבו חוקרים מזהים ונלחמים בפתוגנים.
מאמר ערוך זה פורסם מחדש מהשיחהתחת רישיון Creative Commons. קרא אתמאמר מקורי.
