פירוק אולטרסוני של תאים

סוניקציה היא אמצעי יעיל לפירוק מבנים תאיים. לכן, סוניקטורים נמצאים בשימוש נרחב במעבדות לפתיחת תאים ולמיצוי מולקולות תוך־תאיות, חלבונים ואברונים לצורכי מחקר ואנליזה. בקנה מידה תעשייתי, פירוק אולטרסוני וליזיס משמשים לבידוד מולקולות ממפעלי תאים או לקידום עיכול של ביומסה.

מהו פירוק אולטרסוני?

פירוק אולטרסוני, הידוע גם כהומוגניזציה אולטרסונית, הוא תהליך המשתמש בגלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך לפירוק דופנות תאים ומבנים מולקולריים בתווך נוזלי. טכניקה זו משמשת בדרך כלל במגוון יישומים מדעיים ותעשייתיים למספר מטרות:

פירוק תאים: פירוק אולטרסוני נמצא בשימוש נרחב בביולוגיה של התא ובביולוגיה מולקולרית לפירוק קרומי תאים ולשחרור תכולת התא, כגון חלבונים, חומצות גרעין ואברונים. הדבר שימושי למיצוי רכיבים תוך־תאיים לצורך אנליזה או לביצוע ליזיס של תאים בתהליכים מיקרוביולוגיים וביוטכנולוגיים.

• הומוגניזציה: היא מסייעת בערבוב אחיד של רכיבים בדגימה, במיוחד כאשר מדובר בנוזלים שאינם מתערבבים זה בזה או כאשר מנסים להשיג תערובת אחידה של חומרים.
• מיצוי חלבונים: בביולוגיה, בפרוטאומיקה ובמדעי החיים, אנליזה של חלבונים היא משימה נפוצה מאוד. לפני שניתן לנתח חלבונים באמצעות מבחנים, יש למצות אותם מתוך התא ולבודד אותם. שימוש בסוניקטורים הוא השיטה הנפוצה ביותר למיצוי חלבונים.
• קיטוע DNA: DNA ו־RNA הם סוגים נבדלים של חומצות גרעין המאחסנות ומקודדות מידע גנטי בתאים. בעת אנליזה של DNA ו־RNA, לעיתים יש לקטע את הגדילים הארוכים, תהליך שניתן לבצע באופן אמין ויעיל באמצעות סוניקציה.
• הכנת דגימות: במחקר ובאנליזה, הכנת דגימות היא הליך נפוץ לפני יישום טכניקות אנליטיות שונות. פירוק אולטרסוני יכול לסייע בהמסה או בפיזור של דגימות, ועשוי לשפר את הדיוק ואת יכולת השחזור של האנליזות.

יתרונות הפירוק האולטרסוני

מדוע להשתמש בסוניקטור מסוג גשושית לפירוק, לפירוק תאים ולמיצוי מולקולות תוך־תאיות וחלבונים? סוניקטור או מפרק אולטרסוני מציעים יתרונות רבים ההופכים את הסוניקציה לטכנולוגיה עדיפה בהשוואה לשיטות פירוק אחרות, כגון הומוגניזציה בלחץ גבוה, טחינה בכדורים או מיקרופלואידיזציה.

• ללא הסתמכות על חום: פירוק אולטרסוני הוא שיטה שאינה תרמית, כלומר היא אינה מסתמכת על חום לפירוק חומרים. זהו יתרון ביישומים שבהם טמפרטורות גבוהות עלולות לפגוע בדגימות הרגישות לחום.
• מדויק ומבוקר: ניתן לשלוט בתהליך ברמת דיוק גבוהה, המאפשרת פירוק, ערבוב או הקטנת גודל חלקיקים באופן ממוקד.
• מהיר ויעיל: סוניקציה היא בדרך כלל שיטה מהירה ויעילה, ולכן היא מתאימה ליישומים בתפוקה גבוהה.
• שימוש מופחת בכימיקלים: במקרים רבים, פירוק אולטרסוני יכול להפחית את הצורך בכימיקלים אגרסיביים או בממסים אורגניים, דבר שעשוי להיטיב עם הסביבה ולהפחית את הסיכון לזיהום כימי.
• ללא אמצעי טחינה, ללא נחירים: לטכניקות פירוק חלופיות, כגון טחינה בכדורים או בחרוזים ושימוש בהומוגנייזרים בלחץ גבוה, יש חסרונות. טחינה בכדורים או בחרוזים מחייבת שימוש באמצעי טחינה (חרוזים או כדוריות), שיש להפריד ולנקות בעבודה מאומצת. להומוגנייזרים בלחץ גבוה יש נחירים המועדים לסתימות. לעומתם, הומוגנייזרים אולטרסוניים קלים לשימוש, אמינים מאוד ועמידים, ודורשים תחזוקה מועטה מאוד.
• רב־שימושיות: ניתן ליישם אותה על מגוון רחב של חומרים, ובהם חיידקים, תאי צמח, רקמות יונקים, אצות, פטריות ועוד, ולכן היא טכניקה רב־שימושית בתחומים שונים.
  יכולת הגדלת קנה המידה: ניתן להגדיל את קנה המידה של הטכניקה האולטרסונית עבור תהליכים תעשייתיים, ולכן היא מתאימה הן ליישומים מעבדתיים והן לייצור בקנה מידה גדול.

עקרון הפעולה של פירוק אולטרסוני ופירוק תאים

סוניקציה יוצרת לסירוגין גלי לחץ גבוה וגלי לחץ נמוך בנוזל הנחשף אליה. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, הגלים האולטרסוניים יוצרים בנוזל בועות ריק קטנות, הקורסות בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. תופעה זו מכונה קוויטציה. הקריסה פנימה של בועת הקוויטציה יוצרת כוחות גזירה הידרודינמיים חזקים, הגורמים תחילה לסונופורציה ובהמשך לפירוק יעיל של מבנים תאיים. מולקולות תוך־תאיות ואברונים משתחררים במלואם אל הממס.

פירוק אולטרסוני של מבנים תאיים

כוחות הגזירה יכולים לפרק חומר סיבי ותאיִת לחלקיקים עדינים ולשבור את דופנות המבנה התאי. כך משתחררת אל הנוזל כמות גדולה יותר של חומר תוך־תאי, כגון עמילן או סוכר. נוסף על כך, חומר דופן התא מתפרק לשברים קטנים.

ניתן לנצל השפעה זו לתסיסה, לעיכול ולתהליכי המרה אחרים של חומר אורגני. לאחר טחינה וכתישה, סוניקציה הופכת כמות גדולה יותר של חומר תוך־תאי, כגון עמילן, וכן את שברי דופן התא, לזמינים לאנזימים הממירים עמילן לסוכרים. היא גם מגדילה את שטח הפנים החשוף לאנזימים במהלך הנזלה או סכריפיקציה. הדבר מגדיל בדרך כלל את המהירות ואת התפוקה של תסיסת שמרים ושל תהליכי המרה אחרים, למשל לשם הגברת ייצור האתנול מביומסה.

השתמשו בפירוק אולטרסוני – באמינות וביעילות בכל קנה מידה

הסוניקטורים של Hielscher זמינים ברמות הספק ובקיבולות עיבוד שונות. בין שברצונכם לבצע סוניקציה של דגימות ביולוגיות קטנות, מכמה מיקרוליטרים ועד כמה ליטרים, ובין שעליכם לעבד זרמים גדולים של תאים או ביומסה לצורכי ייצור, Hielscher Ultrasonics תציע לכם את המפרק האולטרסוני המתאים ביותר ליישום הביולוגי שלכם.

• קנה מידה מעבדתי עבור 1mL עד כ־5L, למשל UP400St עם סונוטרודה של 22mm
• קנה מידה שולחני בספיקת זרימה של כ־0.1 עד 20L/min, למשל UIP1000hdT עם סונוטרודה של 34mm ותא זרימה
• קנה מידה יצרני החל מ־20L/min, למשל UIP4000hdT או UIP16000hdT

הטבלה שלהלן מספקת אומדן לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד המעבדתיים שלנו:

אנא השתמשו בטופס שלהלן אם ברצונכם לקבל מידע נוסף על השימוש במכשירים אולטרסוניים לפירוק תאים. נשמח לסייע לכם.

הטבלה שלהלן מספקת אומדן לקיבולת העיבוד המשוערת של מכשירי האולטרסאונד התעשייתיים שלנו:

ספרות / מקורות

• 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.