البطيء هو الأسرع: طريقة جديدة لفصل الجزيئات والجزيئات البيولوجية في عينات صغيرة

تطوير مشترك بين العلماء في مختبرات التخنيون وشركة IBM في سويسرا: جهاز يقوم بفصل الجزيئات البيولوجية حسب حجمها باستخدام مجال كهربائي. ويمكن استخدام الجهاز في التشخيص السريع لمرضى كورونا

أدت الأبحاث المشتركة التي أجراها باحثون من مختبرات التخنيون وشركة IBM في زيورخ إلى تطوير طريقة جديدة لفصل الجزيئات والجزيئات من العينات الصغيرة. وقد يساعد الجهاز في التحليل السريع لعينات من مرضى كورونا، بمنحة من هيئة الابتكار.

وفي مقال نشره الباحثون في مجلة Angewandte Chemie، قدموا طريقة جديدة لفصل الجزيئات والجزيئات البيولوجية عن السائل. تم تعريف هذا التطور من قبل أحد مراجعي المقال بأنه "مساهمة كبيرة في هذا المجال وإنجاز لا يحدث مثله إلا مرة واحدة كل عقد أو عقدين."

وهو جهاز صغير يفصل بسرعة أنواع مختلفة من الجزيئات: تبقى الجزيئات الصغيرة بالقرب من مدخل الجهاز، بينما تتحرك الجزيئات الكبيرة بسرعة بعيدًا عن الفتحة. تسمي المجموعة الطريقة الجديدة BFF، وهي اختصار لمرشح التدفق ثنائي الاتجاه. يقدم المقال تحليلاً نظريًا للنظام والتحقق التجريبي منه وإرشادات لتصميم الأجهزة المستقبلية للاستخدامات المختلفة. ترأس مجموعة البحث في التخنيون البروفيسور موران بيركوفيتش من كليتي الهندسة الميكانيكية والهندسة الطبية الحيوية، رئيس مختبر تقنيات التدفق الدقيق.

الجهاز الذي قدمه الباحثون في المقال عبارة عن شريحة ميكروفلويديك يتم فيها فصل العينة السائلة إلى مكوناتها عن طريق التدفق عبر قنوات افتراضية من خلال التناضح الكهربائي - التحكم في تدفق السائل عن طريق المجالات الكهربائية والشحن السطحي. وفي الدراسة الحالية، استخدم الباحثون هذه التقنية لإنشاء تدفق ثنائي الاتجاه - تدفق السائل في اتجاهين متعاكسين في نفس الوقت. النهج التقليدي - التحكم في التدفق باستخدام المضخات والصمامات والقنوات - لا يسمح بتحقيق أنماط التدفق هذه.

فيديو يشرح البحث

في الجهاز الجديد، عندما يتم حقن الجسيمات في مجال التدفق، فإنها تتصرف بطريقة مفسرة بشكل جيد ولكنها مثيرة للدهشة: تبقى الجسيمات الصغيرة في مكانها، بينما يتم نقل الجسيمات الكبيرة بسرعة. وفقا لطالبة الدكتوراه فانيسا باتشيفا من التخنيون، إحدى المؤلفتين الرئيسيتين للمقالة، "تتحرك الجسيمات في السائل والغاز بشكل عشوائي - وهي ظاهرة تسمى الحركة البراونية. وتؤدي هذه الحركة إلى حقيقة أن الجزيئات الموجودة في الغاز تميل إلى التشتت في الفضاء بحيث تكون في النهاية منتشرة بشكل موحد فيه. هذه هي الآلية التي بفضلها يمكننا، بعد فترة معينة، شم رائحة زجاجة عطر مفتوحة على الجانب الآخر من الغرفة - لأن الجزيئات تتحرك بشكل عشوائي وتنتشر في الفضاء في عملية تسمى أيضًا بالانتشار.

تتميز عمليات الانتشار بالارتباط بين حجم الجسيم ومستوى انتشاره - فالجزيئات الصغيرة أكثر انتشارًا من الجزيئات الكبيرة. وفي الجهاز المبتكر الذي طورته مجموعة أبحاث البروفيسور بيركوفيتش، يحدث تدفق في اتجاهين، والنتيجة هي أن الجزيئات الكبيرة في العينة، والتي تتميز بانخفاض انتشارها، تنجرف مع التيار، بينما تسير الجزيئات الصغيرة بسرعة بين خطوط التيار المعاكسة وبالتالي تكون السرعة صفرًا في المتوسط ​​وتبقى قريبة من مدخل خلية التدفق. والنتيجة هي جهاز صغير يفصل الجزيئات حسب حجمها.

يقول الدكتور فيديريكو بريتورا، طالب ما بعد الدكتوراه الذي يعمل في مختبرات IBM في زيوريخ، وهو أيضًا المؤلف الرئيسي للدراسة: "المبدأ هنا بسيط للغاية". "من المثير للدهشة أن هذا شيء لم يتم القيام به حتى الآن، ربما بسبب القيود التكنولوجية. لقد تمكنا من التغلب على هذه القيود من خلال البحث المستمر الذي شمل العديد من التجارب والتحسينات، والنتيجة هي معيار قوي يمكن إنتاجه تجاريًا لصالح أدوات التشخيص الجديدة وكأساس لأدوات بحثية جديدة لعينات صغيرة."

ويوضح البروفيسور موران بيركوفيتش أن "معظم أجهزة التشخيص البيولوجي تعتمد على خلق تفاعل بين جزيئات الاستشعار (المسابير) والجزيئات أو الجزيئات المستهدفة التي يتم البحث عنها، يليها إزالة جزيئات الاستشعار التي لم ترتبط بالجسم". "الهدف. هذه العملية، خاصة في الخطوة الأخيرة، معقدة للغاية للتنفيذ خاصة عندما يتعلق الأمر بعينات صغيرة. طريقتنا تفعل ذلك بسرعة وكفاءة، طالما أن جزيئات الاستشعار والجزيئات المستهدفة مختلفة بما فيه الكفاية عن بعضها البعض. "

ويعمل الفريق الآن على تكييف طريقة الرصد السريع لفيروس SARS-CoV-2 بناءً على عينة من سطح الحلق. يوضح الدكتور جوفيند جايكلا من شركة IBM أنه "لحسن الحظ، الفيروسات كبيرة نسبيًا - يبلغ قطرها حوالي 100 نانومتر، وهو أكبر بكثير من الأجسام المضادة أو جزيئات الاستشعار الأخرى التي نستخدمها. فكرتنا هي وضع العينة في خلية التدفق الخاصة بنا، حيث ستلتقي الفيروسات بجزيئات الاستشعار المضيئة التي ستلتصق بها، وسوف تتدفق الفيروسات ذات العلامات فقط بينما ستترك جزيئات الاستشعار الزائدة وراءها."

تم تمويل البحث بمنحة MetamorphChip من لجنة الأبحاث الأوروبية (ERC) وبرنامج BRIDGE الممول من هيئة الابتكار السويسرية (Innosuisse) ومؤسسة العلوم السويسرية (SNF).

للمادة العلمية