متلاشی‌سازی فراصوتی سلول‌ها

فراصوت‌دهی روشی مؤثر برای متلاشی‌سازی ساختارهای سلولی است. ازاین‌رو، سونیکاتورها در آزمایشگاه‌ها به‌طور گسترده برای شکستن سلول‌ها و استخراج مولکول‌های درون‌سلولی، پروتئین‌ها و اندامک‌ها به‌منظور پژوهش و آنالیز استفاده می‌شوند. در مقیاس صنعتی، متلاشی‌سازی و لیز فراصوتی برای جداسازی مولکول‌ها از کارخانه‌های سلولی یا تسهیل هضم زیست‌توده به کار می‌رود.

متلاشی‌سازی فراصوتی چیست؟

متلاشی‌سازی فراصوتی، که با عنوان همگن‌سازی فراصوتی نیز شناخته می‌شود، فرایندی است که از امواج فراصوت با شدت بالا و فرکانس پایین برای شکستن دیواره‌های سلولی و تخریب ساختارهای مولکولی در یک محیط مایع استفاده می‌کند. این روش معمولاً در کاربردهای گوناگون علمی و صنعتی برای اهداف مختلف به کار می‌رود:

تخریب سلولی: متلاشی‌سازی فراصوتی در زیست‌شناسی سلولی و زیست‌شناسی مولکولی به‌طور گسترده برای تخریب غشاهای سلولی و آزادسازی محتویات سلول، مانند پروتئین‌ها، اسیدهای نوکلئیک و اندامک‌ها، به کار می‌رود. این روش برای استخراج اجزای درون‌سلولی به‌منظور آنالیز یا برای لیز سلول‌ها در فرایندهای میکروبیولوژی و زیست‌فناوری مفید است.

• همگن‌سازی: این روش به اختلاط یکنواخت اجزای یک نمونه کمک می‌کند، به‌ویژه هنگام کار با مایعات امتزاج‌ناپذیر یا زمانی که هدف، دستیابی به مخلوطی یکنواخت از مواد است.
• استخراج پروتئین: در زیست‌شناسی، پروتئومیکس و علوم زیستی، آنالیز پروتئین‌ها کاری بسیار رایج است. پیش از آنکه پروتئین‌ها در آزمون‌ها آنالیز شوند، باید از داخل سلول استخراج و جداسازی شوند. استفاده از سونیکاتورها رایج‌ترین روش استخراج پروتئین است.
• قطعه‌قطعه‌سازی DNA: DNA و RNA انواع متمایزی از اسیدهای نوکلئیک هستند که اطلاعات ژنتیکی را در سلول‌ها ذخیره و رمزگذاری می‌کنند. هنگام آنالیز DNA و RNA، گاهی لازم است رشته‌های بلند قطعه‌قطعه شوند؛ فرایندی که با فراصوت‌دهی می‌توان آن را به‌صورت قابل‌اعتماد و کارآمد انجام داد.
• آماده‌سازی نمونه: در پژوهش و آنالیز، آماده‌سازی نمونه روالی متداول پیش از اجرای روش‌های مختلف آنالیزی است. متلاشی‌سازی فراصوتی می‌تواند به حل‌کردن یا پراکنده‌سازی نمونه‌ها کمک کند و در نتیجه، دقت و تکرارپذیری آنالیزها را بهبود دهد.

مزایای متلاشی‌سازی فراصوتی

چرا برای متلاشی‌سازی، تخریب سلولی و استخراج مولکول‌ها و پروتئین‌های درون‌سلولی از سونیکاتور پروبی استفاده کنیم؟ سونیکاتور یا دستگاه متلاشی‌کنندهٔ فراصوتی مزایای فراوانی دارد که فراصوت‌دهی را در مقایسه با سایر روش‌های متلاشی‌سازی، مانند همگن‌سازی با فشار بالا، آسیاب گلوله‌ای یا میکروفلوئیدایزیشن، به فناوری برتر تبدیل می‌کند.

• غیرحرارتی: متلاشی‌سازی فراصوتی روشی غیرحرارتی است؛ یعنی برای تجزیهٔ مواد به گرما متکی نیست. این ویژگی در کاربردهایی مزیت دارد که دماهای بالا ممکن است نمونه‌های حساس به گرما را تخریب کنند.
• دقیق و کنترل‌شده: این فرایند را می‌توان با دقت بالا کنترل کرد و به تخریب، اختلاط یا کاهش اندازهٔ ذرات به‌شکل مشخص و هدفمند دست یافت.
• سریع و کارآمد: فراصوت‌دهی معمولاً روشی سریع و کارآمد است و برای کاربردهایی با ظرفیت پردازش نمونه‌های بالا مناسب است.
• کاهش مصرف مواد شیمیایی: در بسیاری از موارد، متلاشی‌سازی فراصوتی می‌تواند نیاز به مواد شیمیایی قوی یا حلال‌های آلی را کاهش دهد؛ این امر می‌تواند به سازگاری با محیط‌زیست و کاهش خطر آلودگی شیمیایی کمک کند.
• بدون اجسام آسیاب‌کننده، بدون نازل: روش‌های جایگزین متلاشی‌سازی، مانند آسیاب گلوله‌ای/مهره‌ای یا هموژنایزرهای فشار بالا، معایبی دارند. آسیاب گلوله‌ای/مهره‌ای مستلزم استفاده از اجسام آسیاب‌کننده، یعنی مهره‌ها یا گلوله‌ها، است که جداسازی و تمیزکردن آن‌ها به زحمت زیادی نیاز دارد. هموژنایزرهای فشار بالا نازل‌هایی دارند که مستعد گرفتگی هستند. در مقابل، هموژنایزرهای فراصوتی کاربری آسانی دارند، بسیار قابل‌اعتماد و مقاوم هستند و به نگهداری بسیار کمی نیاز دارند.
• چندمنظوره‌بودن: این روش را می‌توان برای طیف گسترده‌ای از مواد، از جمله باکتری‌ها، سلول‌های گیاهی، بافت پستانداران، جلبک‌ها، قارچ‌ها و غیره به کار برد؛ بنابراین، روشی چندمنظوره در حوزه‌های گوناگون است.
  قابلیت افزایش مقیاس: روش فراصوتی را می‌توان برای فرایندهای صنعتی به مقیاس بالاتر انتقال داد؛ بنابراین، هم برای کاربردهای آزمایشگاهی و هم برای تولید در مقیاس بزرگ مناسب است.

اصل عملکرد متلاشی‌سازی فراصوتی و تخریب سلولی

فراصوت‌دهی در مایعِ تحت تابش، امواج متناوب پرفشار و کم‌فشار ایجاد می‌کند. در چرخهٔ کم‌فشار، امواج فراصوت حباب‌های کوچک خلأ در مایع ایجاد می‌کنند که در چرخهٔ پرفشار به‌شدت فرومی‌پاشند. این پدیده کاویتاسیون نام دارد. فروپاشی به‌درونِ حباب کاویتاسیون، نیروهای برشی هیدرودینامیکی شدیدی ایجاد می‌کند که ابتدا موجب منفذسازی فراصوتی و سپس تخریب کارآمد ساختارهای سلولی می‌شوند. مولکول‌های درون‌سلولی و اندامک‌ها به‌طور کامل در حلال آزاد می‌شوند.

متلاشی‌سازی فراصوتی ساختارهای سلولی

نیروهای برشی می‌توانند مواد الیافی و سلولزی را به ذرات ریز متلاشی کنند و دیواره‌های ساختار سلولی را بشکنند. این امر مقدار بیشتری از مواد درون‌سلولی، مانند نشاسته یا قند، را در مایع آزاد می‌کند. علاوه بر این، مواد تشکیل‌دهندهٔ دیوارهٔ سلولی نیز به بقایای ریز تبدیل می‌شوند.

از این اثر می‌توان برای تخمیر، هضم و سایر فرایندهای تبدیل مواد آلی استفاده کرد. پس از آسیاب‌کردن و خردکردن، فراصوت‌دهی مقدار بیشتری از مواد درون‌سلولی، مانند نشاسته، و همچنین بقایای دیوارهٔ سلولی را در دسترس آنزیم‌هایی قرار می‌دهد که نشاسته را به قندها تبدیل می‌کنند. این روش همچنین سطح در معرض آنزیم‌ها را طی مایع‌سازی یا قندسازی افزایش می‌دهد. این امر معمولاً سرعت و بازده تخمیر مخمری و سایر فرایندهای تبدیل را افزایش می‌دهد؛ برای مثال، تولید اتانول از زیست‌توده را بیشتر می‌کند.

از متلاشی‌سازی فراصوتی استفاده کنید – با اطمینان و کارآمدی در هر مقیاس

سونیکاتورهای Hielscher با توان‌های نامی و ظرفیت‌های پردازش مختلف عرضه می‌شوند. چه بخواهید نمونه‌های زیستی کوچک، از چند میکرولیتر تا چند لیتر، را فراصوت‌دهی کنید و چه برای تولید نیاز به پردازش جریان‌های بزرگ سلولی یا زیست‌توده داشته باشید، Hielscher Ultrasonics مناسب‌ترین دستگاه متلاشی‌کنندهٔ فراصوتی را برای کاربرد زیستی شما ارائه می‌کند.

• مقیاس آزمایشگاهی برای 1mL تا حدود 5L، برای مثال UP400St با سونوتْرود 22mm
• مقیاس رومیزی با دبی حدود 0٫1 تا 20L/min، برای مثال UIP1000hdT با سونوتْرود 34mm و سلول جریان
• مقیاس تولید از 20L/min به بالا، برای مثال UIP4000hdT یا UIP16000hdT

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی ما را نشان می‌دهد:

اگر مایلید اطلاعات بیشتری دربارهٔ استفاده از دستگاه‌های فراصوتی برای متلاشی‌سازی سلول‌ها دریافت کنید، لطفاً از فرم زیر استفاده کنید. خوشحال می‌شویم به شما کمک کنیم.

جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش دستگاه‌های فراصوتی صنعتی ما را نشان می‌دهد:

منابع علمی / مراجع

• 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.