الکتروپوریشن در جلبک‌ : مزایا، کاربردها و فناوری‌های نوظهور

جلبک‌ها و ریزجلبک‌ها به دلیل رشد سریع و ترکیبات زیستی غنی، در حال تبدیل شدن به بیوراکتورهای چندمنظوره برای تولید سوخت، غذا، خوراک دام، لوازم آرایشی و دارو هستند. ریزجلبک‌ها به‌ویژه به دلیل بازده بالای فتوسنتز و تولید سریع زیست‌توده، می‌توانند به عنوان منابع تجدیدپذیر انرژی و مواد مغذی (پروتئین‌ها، لیپیدها، ویتامین‌ها و غیره) عمل کنند. با این حال، دیواره‌های سلولی سخت آن‌ها اغلب مستلزم فناوری‌های نوآورانه برای دسترسی یا اصلاح محتوای درون‌سلولی است.
الکتروپوریشن – اعمال پالس‌های کوتاهِ ولتاژ بالا به سلول‌ها – یک روش غیرشیمیایی قدرتمند برای نفوذپذیر کردن غشای سلول‌های جلبکی است. در الکتروپوریشن، منافذ موقت در مقیاس نانو در لایه دوقطبی لیپیدی تشکیل می‌شوند که امکان ورود یا خروج مولکول‌ها را بدون از بین بردن دائمی سلول فراهم می‌کنند. این فرآیند با تنظیم دقیق پارامترهای پالس (ولتاژ، مدت زمان، شکل موج)، می‌تواند برگشت‌پذیر باشد، به طوری که سلول‌های جلبکی اغلب پس از الکتروپوریشن زنده می‌مانند یا بازسازی می‌شوند. این ترکیب منحصربه‌فرد از کارایی و ملایمت، الکتروپوریشن را به یک فناوری سبز و جذاب برای بیوتکنولوژی جلبکی تبدیل می‌کند.

الکتروپوریشن برای مهندسی ژنتیک جلبک‌ها

الکتروپوریشن به‌طور گسترده برای انتقال DNA، RNA یا پروتئین‌ها به سلول‌های جلبکی در مهندسی ژنتیک استفاده می‌شود. در ریزجلبک‌های مدل مانند Chlamydomonas reinhardtii، الکتروپوریشن «موثرترین تکنیک برای ورود DNA» است که به‌طور معمول تا حدود ۱۰⁵ ترانسفورمات به ازای هر میکروگرم DNA پلاسمیدی تولید می‌کند. در مقایسه، سایر روش‌های فیزیکی مانند تفنگ ژنی، یا تخصصی‌تر هستند یا نیاز به حذف دیواره سلولی دارند.
الکتروپوریشن به سادگی سوسپانسیون‌های سلولی جلبکی را با مواد ژنتیکی مورد نظر مخلوط کرده و یک پالس الکتریکی اعمال می‌کند که باعث ایجاد منافذ غشایی موقت می‌شود و مواد را به سیتوپلاسم وارد می‌کند. این امر توسعه سریع سویه‌های نوترکیب جلبکی یا کتابخانه‌های موتانت را بدون نیاز به تجهیزات پیچیده امکان‌پذیر می‌سازد.

به‌عنوان مثال، پروتکل‌های الکتروپوریشن موج مربعی برای ترانسفورم کردن جلبک‌های وحشی (حتی با دیواره‌های دست‌نخورده) با کنترل دقیق قدرت میدان و تعداد پالس‌ها بهینه‌سازی شده‌اند. همین رویکرد می‌تواند سازه‌های ویرایش ژن CRISPR/Cas9، مولکول‌های RNAi یا سایر محموله‌ها به درون سلول را برای مهندسی مسیرهای متابولیک در جلبک‌ها ارائه دهد. به طور خلاصه، الکتروپوریشن با فراهم کردن بازده ترانسفورماسیون بالا و قابلیت کاربرد گسترده گونه‌ای، مهندسی ژنتیک جلبک را تسریع می‌کند.

الکتروپوریشن برای استخراج ترکیبات زیستی جلبک‌ها

الکتروپوریشن همچنین یک ابزار استخراج و فرآوری قدرتمند است. میدان‌های الکتریکی پالسی کنترل‌شده (PEF) به‌جای تخریب کامل سلول‌ها می‌توانند به‌طور ملایم ترکیبات ارزشمند را از جلبک‌ها «استخراج» کنند. به‌عنوان مثال، الکتروپوریشن بدون حلال (EP) برای استخراج کارآمد پروتئین‌های درون‌سلولی و برخی لیپیدها از Chlorella vulgaris استفاده می شود. در مطالعات تطبیقی، الکتروپوریشن نسبت به روش‌های اولتراسوند یا انجماد-ذوب، بخش بیشتری از پروتئین را (تا حدود ۲۷% زیست‌توده) با حداقل بقایای سلولی در محلول آزاد کرد.
نکته مهم این است که جلبک‌های تحت درمان با EP اغلب بهبود یافته و مجدداً رشد می‌کنند، زیرا آسیب غشا برگشت‌پذیر است؛ در یک مطالعه، سلول‌های Chlorella الکتروپوره شده پس از یک تاخیر کوتاه، رشد عادی را از سر گرفتند، در حالی که سلول‌های تیمار شده با اولتراسوند این کار را نکردند. همین مطالعه نشان داد که الکتروپوریشن می‌تواند بخشی از لیپیدهای جلبکی (تا حدود ۷% از کل روغن)، از جمله تری‌گلیسیریدها و اسیدهای چرب را نیز در محیط آزاد کند. این ویژگی‌ها، EP را برای استخراج سبز ایده‌آل می‌سازد: از حلال‌های سمی و تخریب سلولی خشن اجتناب می‌کند و عصاره‌ای تمیز از پروتئین‌ها یا روغن‌ها بدون بقایای مکانیکی تولید می‌کند.

فراتر از پروتئین‌ها و لیپیدها، الکتروپوریشن می‌تواند در آزادسازی سایر ترکیبات زیست‌فعال (رنگدانه‌ها، کربوهیدرات‌ها، ویتامین‌ها) کمک کند و حتی پالایش فاضلاب توسط جلبک‌ها را تسهیل نماید. از آنجا که این فرآیند بدون حلال است و در دمای متوسط عمل می‌کند، عصاره‌هایی با خلوص بالا (درجه غذایی، آرایشی یا دارویی) تولید می‌کند در حالی که زیست‌توده باقیمانده دست‌نخورده باقی می‌ماند. این سود دوگانه – بازیابی بالا با تاثیر محیطی کم – دلیل افزایش پذیرش الکتروپوریشن مبتنی بر PEF در زمینه‌های پالایش زیستی است.

مزایای کلیدی الکتروپوریشن در پژوهش و صنعت جلبک

الکتروپوریشن چندین مزیت کلیدی برای پروژه‌های جلبکی دانشگاهی و صنعتی ارائه می‌دهد:

بازده ترانسفورماسیون بالا:

الکتروپوریشن «موثرترین» روش برای انتقال ژنتیکی جلبک است که به‌طور معمول ده‌ها هزار ترانسفورمات به ازای هر میکروگرم DNA تولید می‌کند. این امر توسعه سریع سویه‌ها و غربالگری کتابخانه‌ها در پژوهش را امکان‌پذیر می‌سازد.

سلول‌های غیرتخریب‌شده و قابل استفاده مجدد:

از آنجا که منافذ EP بسته می‌شوند، جلبک‌های تحت درمان اغلب زنده می‌مانند. به‌عنوان مثال، یک مطالعه نشان داد که سلول‌های Chlorella پس از الکتروپوریشن رشد را از سر گرفتند، در حالی که سلول‌های تخریب شده توسط سایر روش‌ها این کار را نکردند. این بدان معناست که یک کشت واحد می‌تواند به‌طور مکرر استفاده شود و بازده کلی را بهبود بخشد و ضایعات را کاهش دهد.

استخراج عاری از بقایا:

الکتروپوریشن محتوای درون‌سلولی را بدون خرد کردن دیواره سلولی آزاد می‌کند. عصاره‌های حاصل تا حد زیادی عاری از بقایای ساختاری هستند و تصفیه پایین‌دستی را ساده می‌کنند. این استخراج تمیز به‌ویژه برای کاربردهای حساس (غذایی، دارویی، آرایشی) که خلوص در آن‌ها حیاتی است، ارزشمند می‌باشد.

بهره‌وری انرژی و هزینه:

الکتروپوریشن مبتنی بر PEF به‌طور محسوسی صرفه‌جویی کننده انرژی است. مطالعات گزارش می‌دهند که می‌تواند ۵۰ تا ۹۵% انرژی کمتری نسبت به روش‌های متعارف تخریب سلولی مکانیکی، آنزیمی یا حرارتی مصرف کند. از آنجا که سیستم‌های EP اغلب به‌طور مستقیم سوسپانسیون‌های مرطوب جلبکی را تیمار می‌کنند (بدون نیاز به خشک‌کردن) و به مواد شیمیایی اضافی نیاز ندارند، هزینه‌های عملیاتی به‌طور قابل توجهی پایین‌تر است.

مقیاس‌پذیری و تطبیق‌پذیری:

الکتروپوریشن می‌تواند از کووت‌های آزمایشگاهی تا رآکتورهای جریان-پیوسته صنعتی مقیاس‌پذیری داشته باشد. تجهیزات الکتروپوریشن مدرن حجم‌های بزرگی از جلبک‌ها را به‌طور مداوم پردازش می‌کنند و هم زیست‌توده خشک و هم مرطوب را تیمار می‌نمایند. پارامترهای پالس قابل تنظیم در آن به این معنی است که دامنه وسیعی از گونه‌های جلبکی (آب شیرین، دریایی، با سلولز بالا و غیره) را می‌توان برای تشکیل منفذ بهینه‌سازی کرد.

در مجموع، این مزایا الکتروپوریشن را به یک فناوری پردازشی «سبز» جذاب برای جلبک‌ها تبدیل می‌کند – که امکان استخراج پاکِ سوخت‌های زیستی، پروتئین‌ها و مواد مغذی را با حداقل تاثیر محیطی فراهم می‌کند.

پارس تراوا: پیشگام در فناوری الکتروپوریشن در جلبک

پارس تراوا (Persian Bioelectromagnetics) شرکت پیشگام الکتروپوریشن ایران است و اکنون این تخصص را به بخش جلبکی گسترش می‌دهد. از سال ۲۰۱۸، پارس تراوا اولین و تنها تولیدکننده دستگاه‌های الکتروپوریشن و الکتروشیمی‌درمانی در ایران بوده است. الکتروپوراتورهای این شرکت (سیستم‌های پالس مربعی و نمایی تا ۲۵۰۰ ولت) و کووت‌ها و الکترودهای مرتبط، ابزارهای اثبات‌شده در محیط‌های پزشکی و آزمایشگاهی هستند. با تکیه بر این پیشینه، پارس تراوا با تطبیق دستگاه های پیشرفته خود برای پژوهش و تولید، وارد صنعت جلبک می‌شود.

دستگاه‌های ما امکان کنترل دقیق قدرت میدان الکتریکی، پالس و تکرار را فراهم می‌کنند که برای بهینه‌سازی پروتکل‌های جلبکی (مانند یافتن ولتاژ ایده‌آل برای باز کردن منافذ بدون مرگ سلولی) بسیار مهم است. تیم مهندسی پارس تراوا می‌تواند با پژوهشگران همکاری کند تا پروتکل‌های سفارشی الکتروپوریشن برای سویه‌های خاص جلبکی را توسعه دهد. این گسترش همکاری مأموریت شرکت ماست تا بتوانیم پلی بین پژوهش دانشگاهی پزشکی و کاربردهای صنعتی ایجاد کنیم. همانطور که تجهیزات پارس تراوا امکان ترانسفکشن ژن و الکتروشیمی‌درمانی را فراهم کرده‌اند، اکنون نوید تسریع نوآوری در مهندسی زیستی و فرآوری زیستی جلبکی را می‌دهند.

ما تصور می‌کنیم که سیستم‌های الکتروپوریشن نیروی محرکه موج جدیدی از فناوری‌های مربوط به جلبک ها خواهند بود. از سویه‌های مهندسی شده ریزجلبکی که بیش از حد رنگدانه یا سوخت‌های زیستی تولید می‌کنند گرفته تا پالایشگاه‌های زیستی که به‌طور مداوم پروتئین‌ها و روغن‌ها را اسنخراج می‌کنند. پارس تراوا مفتخر است که در ایران در خط مقدم این عرصه قرار دارد و راهکارهای بومی و پژوهش‌محور مبتنی بر پیشرفت‌های علمی جهانی را ارائه می‌دهد.

چشم‌اندازهای آینده

کاربرد الکتروپوریشن در جلبک‌ها یک مرز هیجان‌انگیز در بیوتکنولوژی است. پژوهش‌های جاری به بهبود پروتکل‌های الکتروپوریشن، افزایش مقیاس رآکتورهای PEF و کشف کاربردهای جدید جلبکی (مانند بازیابی یکپارچه مواد مغذی فاضلاب یا زیست‌حسگرهای سلول زنده) ادامه خواهند داد. در این زمینه، همکاری بین توسعه‌دهندگان دستگاه و دانشمندان جلبکی نقش کلیدی دارد. پارس تراوا آماده همکاری با دانشگاه‌ها و صنعت، در زمینه تامین سخت‌افزار و تخصص الکتروپوریشن است.

برای پرس‌وجو درباره سیستم‌های الکتروپوریشن ما یا بحث در مورد پروژه‌های مربوط به جلبک، امروز با پارس تراوا تماس بگیرید. ما می‌توانیم پشتیبانی فنی و پروتکل‌های سفارشی به شما ارائه دهیم و برای انتخاب الکتروپوراتورها و کووت‌های متناسب، شما را راهنمایی کنیم.

تماس با پارس تراوا:

واتس‌اپ: 09024051862

ایمیل: info@persiantarava.me