عندما تفكر في المجالات الكهربائية، فمن المرجح أن تفكر في الكهرباء – الأشياء التي تجعل الحياة الحديثة ممكنة من خلال تشغيل كل شيء من الأجهزة المنزلية إلى الهواتف المحمولة. لقد ظل الباحثون يدرسون مبادئ الكهرباء منذ القرن السابع عشر. أثبت بنجامين فرانكلين، المشهور بتجربته للطائرة الورقية، أن البرق كان كهربائيًا بالفعل.
وقد مكنت الكهرباء أيضًا من تحقيق تقدم كبير في علم الأحياء. تسمح تقنية تسمى الرحلان الكهربائي للعلماء بتحليل جزيئات الحياة – الحمض النووي والبروتينات – عن طريق فصلها بشحناتها الكهربائية. لا يتم تدريس الفصل الكهربائي بشكل شائع في علم الأحياء بالمدارس الثانوية فحسب، بل إنه أيضًا العمود الفقري للعديد من المختبرات السريرية والبحثية، بما في ذلك مختبري.
أنا أستاذ الهندسة الطبية الحيوية وأعمل مع الأنظمة الكهربية المصغرة. معًا، أقوم أنا وطلابي بتطوير إصدارات محمولة من هذه الأجهزة التي تكتشف بسرعة مسببات الأمراض وتساعد الباحثين على مكافحتها.
ما هو الرحلان الكهربائي؟
اكتشف الباحثون الرحلان الكهربائي في القرن التاسع عشر من خلال تطبيق جهد كهربائي على جزيئات الطين وملاحظة كيفية هجرتها عبر طبقة من الرمل. بعد مزيد من التقدم خلال القرن العشرين، أصبح الرحلان الكهربائي هو المعيار في المختبرات.
لفهم كيفية عمل الرحلان الكهربائي، نحتاج أولاً إلى شرح المجالات الكهربائية. وهي قوى غير مرئية تؤثر بها الجسيمات المشحونة كهربائيًا، مثل البروتونات والإلكترونات، على بعضها البعض. على سبيل المثال، ينجذب الجسيم ذو الشحنة الكهربائية الموجبة نحو الجسيم ذي الشحنة السالبة. وينطبق هنا قانون “تجاذب الأضداد”. يمكن أن تحتوي الجزيئات أيضًا على شحنة؛ وسواء كانت أكثر إيجابية أم سلبية يعتمد على أنواع الذرات التي تتكون منها.
في الرحلان الكهربائي، يتم إنشاء مجال كهربائي بين قطبين كهربائيين متصلين بمصدر الطاقة. أحد القطبين له شحنة موجبة والآخر له شحنة سالبة. يتم وضعها على الجانبين المتقابلين من حاوية مملوءة بالماء والقليل من الملح، والتي يمكنها توصيل الكهرباء.
عندما تكون الجزيئات المشحونة مثل الحمض النووي والبروتينات موجودة في الماء، تقوم الأقطاب الكهربائية بإنشاء مجال قوة بينهما يدفع الجزيئات المشحونة نحو القطب الكهربائي المشحون بشكل معاكس. وتسمى هذه العملية بالهجرة الكهربية.
يحب الباحثون الترحيل الكهربائي لأنه سريع ومرن. يمكن للرحلان الكهربائي أن يساعد في تحليل أنواع مختلفة من الجسيمات، من الجزيئات إلى الميكروبات. علاوة على ذلك، يمكن إجراء الرحلان الكهربائي باستخدام مواد مثل الورق والمواد الهلامية والأنابيب الرفيعة.
في عام 1972، لاحظ الفيزيائي ستانيسلاف دوخين وزملاؤه نوعًا آخر من الهجرة الكهربية يُسمى بالرحلان الكهربي غير الخطي، والذي يمكنه فصل الجسيمات ليس فقط عن طريق شحنتها الكهربائية، ولكن أيضًا عن طريق حجمها وشكلها.
المجالات الكهربائية ومسببات الأمراض
إن التقدم الإضافي في مجال الرحلان الكهربائي جعله أداة مفيدة لمحاربة مسببات الأمراض. وعلى وجه الخصوص، أتاحت ثورة الموائع الدقيقة إنشاء مختبرات صغيرة تسمح للباحثين بالكشف السريع عن مسببات الأمراض.
في عام 1999، وجد الباحثون أن أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة هذه يمكنها أيضًا فصل مسببات الأمراض السليمة عن طريق الاختلافات في شحنتها الكهربائية. لقد وضعوا خليطًا من عدة أنواع من البكتيريا في أنبوب شعري زجاجي رفيع جدًا، ثم تم تعريضه لمجال كهربائي. خرجت بعض البكتيريا من الجهاز بشكل أسرع من غيرها بسبب شحناتها الكهربائية المميزة، مما يجعل من الممكن فصل الميكروبات حسب النوع. سمح قياس سرعات هجرتها للعلماء بتحديد كل نوع من أنواع البكتيريا الموجودة في العينة من خلال عملية استغرقت أقل من 20 دقيقة.
وقد حسنت ميكروفلويديك هذه العملية إلى أبعد من ذلك. أجهزة ميكروفلويديك صغيرة بما يكفي لتناسب راحة يدك. حجمها المصغر يسمح لها بإجراء التحليلات بشكل أسرع بكثير من معدات المختبرات التقليدية لأن الجزيئات لا تحتاج إلى الانتقال إلى مسافة بعيدة عبر الجهاز ليتم تحليلها. وهذا يعني أن الجزيئات أو مسببات الأمراض التي يبحث عنها الباحثون يمكن اكتشافها بسهولة أكبر وأقل احتمالية لفقدها أثناء التحليل.
على سبيل المثال، تحتاج العينات التي يتم تحليلها باستخدام أنظمة الرحلان الكهربائي التقليدية إلى الانتقال عبر الأنابيب الشعرية التي يبلغ طولها حوالي 11 إلى 31 بوصة (30 إلى 80 سم). يمكن أن تستغرق هذه المعالجة من 40 إلى 50 دقيقة وهي غير قابلة للنقل. وبالمقارنة، فإن العينات التي تم تحليلها باستخدام أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة تنتقل عبر قنوات صغيرة يبلغ طولها من 0.4 إلى 2 بوصة فقط (من 1 إلى 5 سنتيمترات). يُترجم هذا إلى أجهزة صغيرة محمولة تستغرق أوقات تحليل تتراوح من دقيقتين إلى ثلاث دقائق تقريبًا.
وقد مكّن الرحلان الكهربائي غير الخطي أجهزة أكثر قوة من خلال السماح للباحثين بفصل واكتشاف مسببات الأمراض حسب حجمها وشكلها. لقد أوضحت أنا وزملائي في المختبر أن الجمع بين الرحلان الكهربائي غير الخطي مع الموائع الدقيقة لا يمكنه فصل أنواع مختلفة من الخلايا البكتيرية فحسب، بل يمكنه أيضًا فصل الخلايا البكتيرية الحية والميتة.
أنظمة الرحلان الكهربائي الصغيرة في الطب
يمتلك الرحلان الكهربائي للموائع الدقيقة القدرة على أن يكون مفيدًا في مختلف الصناعات. في المقام الأول، يمكن لهذه الأنظمة الصغيرة أن تحل محل طرق التحليل التقليدية بنتائج أسرع وراحة أكبر وتكلفة أقل.
على سبيل المثال، عند اختبار فعالية المضادات الحيوية، يمكن لهذه الأجهزة الصغيرة أن تساعد الباحثين بسرعة على معرفة ما إذا كانت مسببات الأمراض قد ماتت بعد العلاج. ويمكن أن يساعد أيضًا الأطباء في تحديد الدواء الأكثر ملاءمة للمريض من خلال التمييز السريع بين البكتيريا الطبيعية والبكتيريا المقاومة للمضادات الحيوية.
ويعمل مختبري أيضًا على تطوير أنظمة الرحلان الكهربائي الدقيق لتنقية الفيروسات العاثيات التي يمكن استخدامها لعلاج الالتهابات البكتيرية.
ومع مزيد من التطوير، يمكن لقوة المجالات الكهربائية والموائع الدقيقة تسريع كيفية اكتشاف الباحثين لمسببات الأمراض ومكافحتها.
تم إعادة نشر هذا المقال من The Conversation، وهي منظمة إخبارية مستقلة غير ربحية تقدم لك حقائق وتحليلات جديرة بالثقة لمساعدتك على فهم عالمنا المعقد. كتب بواسطة: بلانكا هـ. لابيزكو-إنسيناس، معهد روتشستر للتكنولوجيا
اقرأ المزيد:
تتلقى بلانكا إتش. لابيزكو-إنسيناس تمويلًا من المؤسسة الوطنية للعلوم (NSF) ووكالات أخرى لتمويل أبحاثها في مجال الموائع الدقيقة والحركية الكهربائية. وهي إحدى رؤساء تحرير مجلة ELECTROPHORESIS التي تنشرها وايلي. وهي مستشارة لجمعية الرحلان الكهربي AES وتعمل حاليًا أيضًا كرئيسة لجوائز الجمعية.