Când te gândești la câmpuri electrice, probabil te gândești la electricitate — lucrurile care fac posibilă viața modernă, alimentând totul, de la aparate electrocasnice la telefoane mobile. Cercetătorii au studiat principiile electricității din anii 1600. Benjamin Franklinfaimos pentru experimentul său cu zmeul, a demonstrat că fulgerul era într-adevăr electric.
Electricitatea a permis, de asemenea, progrese majore în biologie. O tehnică numită electroforeză permite oamenilor de știință să analizeze moleculele vieții – ADN și proteine — prin separarea lor prin sarcina lor electrică. Electroforeza nu este doar predată în mod obișnuit în biologia liceului, dar este și un cal de bătaie al multor laboratoare clinice și de cercetare, inclusiv al meu.
eu sunt un profesor de inginerie biomedicală care lucrează cu sisteme electroforetice miniaturizate. Împreună, studenții mei și cu mine dezvoltăm versiuni portabile ale acestor dispozitive care detectează rapid agenții patogeni și ajută cercetătorii să lupte împotriva lor.
Ce este electroforeza?
Cercetătorii au descoperit electroforeza în secolul al XIX-lea prin aplicarea unei tensiuni electrice particulelor de argilă și observarea modului în care acestea au migrat printr-un strat de nisip. După noi progrese în cursul secolului XX, electroforeza a devenit standard în laboratoare.
Pentru a înțelege cum funcționează electroforeza, mai întâi trebuie să explicăm câmpuri electrice. Acestea sunt forțe invizibile pe care particulele încărcate electric, cum ar fi protonii și electronii, le exercită unele asupra altora. O particulă cu sarcină electrică pozitivă, de exemplu, ar fi atrasă de o particulă cu sarcină negativă. Aici se aplică legea „opușilor se atrag”. Moleculele pot avea și o sarcină; dacă este mai pozitiv sau negativ depinde de tipurile de atomi care o compun.
În electroforeză, un câmp electric este generat între doi electrozi conectați la o sursă de alimentare. Un electrod are o sarcină pozitivă, iar celălalt are o sarcină negativă. Ele sunt poziționate pe părțile opuse ale unui recipient umplut cu apă și puțină sare, care poate conduce electricitatea.
Când sunt încărcate molecule precum ADN și proteine sunt prezenți în apă, electrozii creează un câmp de forță între ei care împinge particulele încărcate către electrodul încărcat opus. Acest proces se numește migrare electroforetică.
Cercetătorilor le place electroforeza pentru că este rapidă și flexibilă. Electroforeza poate ajuta la analiza diferitelor tipuri de particule, de la molecule la microbi. În plus, electroforeza poate fi efectuată cu materiale precum hârtie, geluri și tuburi subțiri.
În 1972, fizician Stanislav Dukhin iar colegii săi au observat un alt tip de migrare electroforetică numită electroforeză neliniară care ar putea separa particulele nu numai prin sarcina lor electrică, ci și prin dimensiunea și forma lor.
Câmpuri electrice și agenți patogeni
Progresele ulterioare în electroforeză au făcut din aceasta un instrument util pentru combaterea agenților patogeni. În special, cel revoluția microfluidicei a făcut posibilă laboratoare minuscule care permit cercetătorilor să detecteze rapid agenții patogeni.
În 1999, cercetătorii au descoperit că și aceste sisteme mici de electroforeză ar putea separați agenți patogeni intacți prin diferentele de sarcina lor electrica. Ei au plasat un amestec de mai multe tipuri de bacterii într-un capilar de sticlă foarte subțire care a fost apoi expus unui câmp electric. Unele bacterii au părăsit dispozitivul mai repede decât alții datorită sarcinilor electrice distincte, făcând posibilă separarea microbilor după tip. Măsurarea vitezei de migrare a permis oamenilor de știință să identifice fiecare specie de bacterii prezente în probă printr-un proces care a durat mai puțin de 20 de minute.
Microfluidica a îmbunătățit și mai mult acest proces. Dispozitivele microfluidice sunt suficient de mici pentru a încăpea în palma mâinii tale. Dimensiunea lor miniaturală le permite să efectueze analize mult mai rapid decât echipamentele convenționale de laborator, deoarece particulele nu trebuie să se deplaseze atât de departe prin dispozitivul care urmează să fie analizat. Aceasta înseamnă că moleculele sau agenții patogeni căutați de cercetători sunt mai ușor de detectat și sunt mai puțin probabil să se piardă în timpul analizei.
De exemplu, probele analizate folosind sisteme convenționale de electroforeză ar trebui să călătorească prin tuburi capilare care au aproximativ 11 până la 31 inchi (30 până la 80 de centimetri) lungime. Procesarea acestora poate dura între 40 și 50 de minute și nu sunt portabile. În comparație, probele analizate cu sisteme mici de electroforeză migrează prin microcanale care au doar 0,4 până la 2 inchi (1 până la 5 centimetri) lungime. Acest lucru se traduce prin dispozitive mici, portabile, cu timpi de analiză de aproximativ două-trei minute.
Electroforeza neliniară a permis dispozitive mai puternice, permițând cercetătorilor să separe și să detecteze agenții patogeni după dimensiunea și forma lor. Eu și colegii mei de laborator am arătat că combinarea electroforezei neliniare cu microfluidica poate nu numai separate tipuri distincte de celule bacteriene dar de asemenea celule bacteriene vii și moarte.
Sisteme mici de electroforeză în medicină
Electroforeza microfluidică are potențialul de a fi utilă în toate industriile. În primul rând, aceste sisteme mici pot înlocui metodele de analiză convenționale cu rezultate mai rapide, confort mai mare și costuri mai mici.
De exemplu, când testarea eficacității antibioticeloraceste dispozitive minuscule ar putea ajuta cercetătorii să spună rapid dacă agenții patogeni sunt morți după tratament. De asemenea, ar putea ajuta medicii să decidă care medicament este cel mai potrivit pentru un pacient, distingând rapid între bacteriile normale și bacteriile rezistente la antibiotice.
Laboratorul meu lucrează și la dezvoltarea sistemelor de microelectroforeză pentru purificare virusuri bacteriofage care poate fi folosit pentru trata infectiile bacteriene.
Odată cu dezvoltarea ulterioară, puterea câmpurilor electrice și a microfluidicei poate accelera modul în care cercetătorii detectează și luptă împotriva agenților patogeni.
Acest articol editat este republicat din Conversația sub o licență Creative Commons. Citiți articol original.
Comentarii recente