تفتيت الخلايا بالموجات فوق الصوتية

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة لتفتيت البنى الخلوية. ولذلك تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في المختبرات لفتح الخلايا واستخلاص الجزيئات والبروتينات والعضيات الموجودة داخلها لأغراض البحث والتحليل. وعلى النطاق الصناعي، يُستخدم التفتيت والتحلل بالموجات فوق الصوتية لعزل الجزيئات من المصانع الخلوية أو لتعزيز هضم الكتلة الحيوية.

ما هو التفتيت بالموجات فوق الصوتية؟

التفتيت بالموجات فوق الصوتية، المعروف أيضًا بالتجانس بالموجات فوق الصوتية، هو عملية تستخدم موجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد لتفتيت جدران الخلايا وتفكيك البنى الجزيئية في وسط سائل. وتُستخدم هذه التقنية عادةً في تطبيقات علمية وصناعية متنوعة لأغراض متعددة:

تفكيك الخلايا: يُستخدم التفتيت بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في علم الأحياء الخلوي وعلم الأحياء الجزيئي لتفكيك أغشية الخلايا، مما يؤدي إلى إطلاق محتوياتها، مثل البروتينات والأحماض النووية والعضيات. ويفيد ذلك في استخلاص المكونات داخل الخلوية لتحليلها أو في تحلل الخلايا ضمن عمليات علم الأحياء الدقيقة والتكنولوجيا الحيوية.

• التجانس: يساعد على خلط مكونات العينة بصورة متجانسة، ولا سيما عند التعامل مع سوائل غير قابلة للامتزاج أو عند السعي إلى الحصول على مزيج متجانس من المواد.
• استخلاص البروتينات: يُعد تحليل البروتينات مهمة شائعة جدًا في علم الأحياء وعلم البروتيوميات وعلوم الحياة. وقبل تحليل البروتينات في الاختبارات، يجب استخلاصها من داخل الخلية وعزلها. وتُعد أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الطريقة الأكثر استخدامًا لاستخلاص البروتينات.
• تجزئة DNA: يُعد DNA وRNA نوعين مختلفين من الأحماض النووية التي تخزن المعلومات الوراثية وتُشفّرها في الخلايا. وعند تحليل DNA وRNA، يلزم أحيانًا تجزئة السلاسل الطويلة، وهي عملية يمكن تنفيذها بموثوقية وكفاءة بواسطة المعالجة بالموجات فوق الصوتية.
• تحضير العينات: في البحث والتحليل، يُعد تحضير العينات إجراءً شائعًا يسبق استخدام التقنيات التحليلية المختلفة. ويمكن أن يساعد التفتيت بالموجات فوق الصوتية على إذابة العينات أو تشتيتها، مما قد يحسن دقة التحليلات وقابليتها للتكرار.

مزايا التفتيت بالموجات فوق الصوتية

لماذا يُستخدم جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار للتفتيت وتفكيك الخلايا واستخلاص الجزيئات والبروتينات الموجودة داخل الخلايا؟ يوفر جهاز المعالجة أو جهاز التفتيت بالموجات فوق الصوتية مزايا عديدة تجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية التقنية المتفوقة مقارنةً بطرق التفتيت الأخرى، مثل التجانس بالضغط العالي أو الطحن بالكرات أو المعالجة بالتدفق الميكروي.

• غير حراري: التفتيت بالموجات فوق الصوتية طريقة غير حرارية، أي إنها لا تعتمد على الحرارة لتفتيت المواد. ويُعد ذلك مفيدًا للتطبيقات التي قد تؤدي فيها درجات الحرارة المرتفعة إلى تدهور العينات الحساسة للحرارة.
• دقيق وقابل للتحكم: يمكن التحكم في العملية بدقة عالية، مما يتيح إجراء تفكيك أو خلط أو تقليل لحجم الجسيمات بصورة محددة.
• سريع وفعال: تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية عمومًا طريقة سريعة وفعالة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات ذات معدل معالجة العينات المرتفع.
• تقليل استخدام المواد الكيميائية: في كثير من الحالات، يمكن أن يقلل التفتيت بالموجات فوق الصوتية الحاجة إلى المواد الكيميائية القاسية أو المذيبات العضوية، مما قد يكون ملائمًا للبيئة ويقلل خطر التلوث الكيميائي.
• بلا وسائط طحن وبلا فوهات: تنطوي تقنيات التفتيت البديلة، مثل الطحن بالكرات أو الخرز أو استخدام مجانسات الضغط العالي، على عيوب. إذ يتطلب الطحن بالكرات أو الخرز استخدام وسائط طحن (خرز أو حبيبات)، يجب فصلها وتنظيفها بجهد كبير. كما تحتوي مجانسات الضغط العالي على فوهات عرضة للانسداد. وفي المقابل، تتميز المجانسات بالموجات فوق الصوتية بسهولة الاستخدام والموثوقية العالية والمتانة، وتحتاج إلى قدر ضئيل جدًا من الصيانة.
• تعدد الاستخدامات: يمكن تطبيقها على مجموعة واسعة من المواد، بما فيها البكتيريا والخلايا النباتية وأنسجة الثدييات والطحالب والفطريات وغيرها، مما يجعلها تقنية متعددة الاستخدامات في مجالات متنوعة.
  قابلية التوسع: يمكن توسيع نطاق تقنية الموجات فوق الصوتية لتناسب العمليات الصناعية، مما يجعلها ملائمة للتطبيقات المختبرية وللإنتاج واسع النطاق على حد سواء.

مبدأ عمل التفتيت وتفكيك الخلايا بالموجات فوق الصوتية

تولد المعالجة بالموجات فوق الصوتية موجات متناوبة من الضغط المرتفع والمنخفض في السائل المعرض لها. وخلال دورة الضغط المنخفض، تُنشئ الموجات فوق الصوتية فقاعات فراغية صغيرة في السائل تنهار بعنف خلال دورة الضغط المرتفع. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. ويؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف إلى توليد قوى قص هيدروديناميكية قوية تُحدث أولًا تكوين مسام بالموجات فوق الصوتية، ثم تفكيكًا فعالًا للبنى الخلوية. وتُطلَق الجزيئات والعضيات الموجودة داخل الخلايا بالكامل إلى المذيب.

تفتيت البنى الخلوية بالموجات فوق الصوتية

يمكن لقوى القص تفتيت المواد الليفية والسليلوزية إلى جسيمات دقيقة وتكسير جدران البنية الخلوية. ويؤدي ذلك إلى إطلاق المزيد من المواد داخل الخلوية، مثل النشا أو السكر، إلى السائل. بالإضافة إلى ذلك، تتفتت مادة جدار الخلية إلى حطام صغير.

يمكن استخدام هذا التأثير في التخمير والهضم وغيرهما من عمليات تحويل المواد العضوية. وبعد الطحن والسحق، تجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية المزيد من المواد داخل الخلوية، مثل النشا، وكذلك حطام جدران الخلايا، متاحًا للإنزيمات التي تحول النشا إلى سكريات. كما تزيد مساحة السطح المعرض للإنزيمات أثناء التسييل أو التحويل إلى سكريات. ويؤدي ذلك عادةً إلى زيادة سرعة ومردود التخمير بالخميرة وعمليات التحويل الأخرى، على سبيل المثال لتعزيز إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية.

استخدم التفتيت بالموجات فوق الصوتية – بموثوقية وكفاءة على أي نطاق

تتوفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بقدرات اسمية وسعات معالجة مختلفة. وسواء كنت ترغب في معالجة عينات بيولوجية صغيرة تتراوح من بضعة ميكرولترات إلى بضعة لترات بالموجات فوق الصوتية، أو تحتاج إلى معالجة تدفقات كبيرة من الخلايا أو الكتلة الحيوية لأغراض الإنتاج، فإن Hielscher Ultrasonics ستوفر لك جهاز التفتيت بالموجات فوق الصوتية الأنسب لتطبيقك البيولوجي.

• النطاق المختبري لأحجام من 1mL إلى نحو 5L، مثل UP400St مع سونوترود بمقاس 22mm
• نطاق الوحدات المكتبية بمعدل يقارب 0.1 إلى 20L/min، مثل UIP1000hdT مع سونوترود بمقاس 34mm وخلية التدفق
• نطاق الإنتاج ابتداءً من 20L/min، مثل UIP4000hdT أو UIP16000hdT

يعطيك الجدول أدناه فكرة عن سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات الحجم المختبري لدينا:

يرجى استخدام النموذج أدناه إذا كنت ترغب في الحصول على مزيد من المعلومات بشأن استخدام أجهزة الموجات فوق الصوتية لتفتيت الخلايا. يسعدنا مساعدتك.

يعطيك الجدول أدناه فكرة عن سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية الصناعية لدينا:

المؤلفات / المراجع

• Nico Böhmer, Andreas Dautel, Thomas Eisele, Lutz Fischer (2012): Recombinant expression, purification and characterisation of the native glutamate racemase from Lactobacillus plantarum NC8. Protein Expr Purif. 2013 Mar;88(1):54-60.
• Brandy Verhalen, Stefan Ernst, Michael Börsch, Stephan Wilkens (2012): Dynamic Ligand-induced Conformational Rearrangements in P-glycoprotein as Probed by Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy. J Biol Chem. 2012 Jan 6;287(2): 1112-27.
• Claudia Lindemann, Nataliya Lupilova, Alexandra Müller, Bettina Warscheid, Helmut E. Meyer, Katja Kuhlmann, Martin Eisenacher, Lars I. Leichert (2013): Redox Proteomics Uncovers Peroxynitrite-Sensitive Proteins that Help Escherichia coli to Overcome Nitrosative Stress. J Biol Chem. 2013 Jul 5; 288(27): 19698–19714.
• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.