תוֹכֶן
תפקיד החשמל בתהליכים ביולוגיים חשוב לא פחות מתפקידו בטכנולוגיה, ונרתם לשימוש מדעי במספר דרכים עדינות ומעניינות. אחת הטכניקות הנמצאות בשימוש נרחב בביוכימיה היא אלקטרופורזה, השימוש בזרם חשמלי כדי לתפעל מולקולות חלבון למגוון מטרות מחקר, אבחון וייצור ביו-רפואי.
איך התהליך עובד
למולקולות אורגניות יש לרוב מטען חיובי או שלילי, מה שגורם להן להגיב לזרם חשמלי. מולקולות עם מטען חיובי נודדות לכיוון הקוטב השלילי בשדות, ומולקולות עם מטען שלילי נודדות לכיוון הקוטב החיובי. מולקולות בעלות מטען גדול יותר נוטות לנוע במהירות רבה יותר ולנסוע רחוק יותר בזמן שהמטען מוחל. עם זאת, הם יאטו גם על ידי חיכוך, אשר בתורו מושפע הן מגודל המולקולה וצורתה והן מהמדיום המשמש לבדיקה. על ידי שליטה בזרם החשמלי והחיכוך שמספק מדיום הבדיקה, החוקרים יכולים ליצור תנאים המפרידים ביעילות ביומולקולות, כך שניתן לבודד אותם ולחקור אותם. זה גם מאפשר לחוקרים לזהות את ההבדלים בין מולקולות על ידי התבוננות בכמה הם מושפעים מהזרם. זהו כלי שימושי עם מגוון יישומים ניסיוניים וביו-רפואיים, אך מעטים בולטים במיוחד.
ניתוח DNA
שימוש מוביל באלקטרופורזה הוא בזיהוי ובמחקר של שברי DNA ו- DNA. ה- DNA בולט בזכות העקביות של המטען השלילי שלו, כלומר הזרם החשמלי מפעיל כוח שווה בערך על כל חלק של DNA. תחת לחץ זה, שברי DNA גדולים יותר וקטנים יותר מתחילים להיפרד מכיוון שהם מושפעים באופן שונה מחיכוך ממדיום הבדיקה. המדיום, לרוב ג'ל אגרוז או ג'ל אקרילאמיד "מקפיא" את הקטעים המופרדים במקום כשמוסרים את הזרם, מה שמאפשר לבחון אותם ברזולוציות גבוהות. חומרי מכתים כמו אתידיום ברומיד מתווספים לרוב לג'ל בכדי להקל על התוצאות והפרשנות.
אינטראקציות עם חלבון ונוגדן
צורה נפוצה נוספת של אלקטרופורזה היא אימונואלקטרו-פורזה, המנתחת נוכחות והתנהגויות של חלבונים מסוימים. מצבים רפואיים רבים, כולל טרשת נפוצה, מחלות כליות וכמה סוגי סרטן גורמים ליצירת מולקולות חלבון לא תקינות. ניתן לאתר את אלה על ידי ביצוע אלקטרופורזה על דגימות שתן או דם וצפייה בכל שונות בין הכמויות וסוגי החלבון הרגילים. ניתן להשתמש גם באימונואלקטורפורזה לגילוי חלבונים ספציפיים הנקראים אימונוגלובולינים, המשמשים כנוגדנים. אלה הם חלק ממערכת החיסון של הגוף ותוקפים חלבונים זרים, כמו נגיפים או אלרגנים. ניתוח נוגדנים אלה יכול לסייע בזיהוי טיפולים חדשים לטיפול בפולשים אלה ומספק גם תובנה לגבי מצבים כמו אלרגיות והפרעות אוטואימוניות, העלולות לנבוע מנוגדנים לא תקינים.
בדיקת אנטיביוטיקה
אלקטרופורזה ממלאת מספר תפקידים בבדיקת אנטיביוטיקה. אחד הנפוצים ביותר הוא בדיקת טוהר האנטיביוטיקה. על ידי מריחת אלקטרופורזה על תמיסה המכילה את האנטיביוטיקה בצורה של רצועת נייר שהוספגה באנטיביוטיקה או נימי - צינור דק מאוד - המלא בתמיסה, החוקרים יכולים להבדיל בין האנטיביוטיקה עצמה לבין כל זיהום. הם יכולים גם לקבוע עד כמה האנטיביוטיקה מרוכזת, וזה חיוני ליישום מינונים מדויקים. מחקר אנטיביוטי משתרע לתחום הבדיקה הגנטית, וזיהוי גנים העשויים להצביע על עמידות לאנטיביוטיקה ספציפית.
בדיקת חיסונים
בדומה לאנטיביוטיקה, אלקטרופורזה מועילה הן ביצירה והן בייצור של חיסונים. מטרת החיסון היא לעזור לגוף לייצר נוגדנים לפתוגן שעלול להיות מסוכן, ואלקטרופורזה היא שיטה שימושית לגילוי אותם נוגדנים. חוקרים יכולים להשתמש בטכניקה כדי להשוות את ההשפעה של חיסון או גרסאות מרובות של חיסון על פני מספר גדול של נבדקים או משתנים אחרים. ברגע שחיסון נמצא בייצור, אלקטרופורזה מספקת גם דרך מהירה ויעילה לבדיקת קבוצות ייצור לצורך עקביות וטהרה.