کاربردهای الکتروپوریشن در زیست‌شناسی
کاربردهای الکتروپوراسیون در زیست‌شناسی
الکتروپوراسیون (Electroporation) یک روش زیست‌فناوری مبتنی بر اعمال پالس‌های الکتریکی کوتاه و قوی به سلول‌ها است که باعث افزایش موقت نفوذپذیری غشای سلولی و ورود مواد بزرگ (مانند DNA، RNA، پروتئین و داروها) به درون سلول می‌شود. از آنجا که این روش بدون استفاده از ناقل‌های شیمیایی یا ویروسی می‌تواند روی انواع سلول‌ها (پروکاریوت، یوکاریوت، گیاهی و حیوانی) اعمال شود، به عنوان یک تکنولوژی همه‌کاره (پلتفرم) در زیست‌شناسی شناخته می‌شود. الکتروپوراسیون یا الکتروپوریشن در مهندسی ژنتیک، علوم پزشکی، صنایع غذایی و زیست‌فناوری‌های محیطی کاربردهای گسترده‌ای دارد؛ برای مثال در انتقال ژن (ترنسفکشن)، تولید واکسن‌های نوترکیب، درمان سرطان و فرآوری مواد غذایی به کار رفته است.
.
انتقال ژن و مهندسی ژنتیک
الکتروپوراسیون ابزاری کلیدی در روش‌های انتقال ژن محسوب می‌شود. با استفاده از این روش می‌توان DNA یا RNA خارجی را به داخل باکتری‌ها، مخمرها و سلول‌های پستانداران در کشت آزمایشگاهی وارد کرد. به عنوان مثال، دهه‌هاست که الکتروپوراسیون برای تولید سلول‌های تراریخته‌ی E. coli، مخمر مخمرها و سلول‌های جانوری مانند سلول‌های موش یا انسانی استفاده می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که الکتروپوراسیون می‌تواند راندمان انتقال ژن را تا ۱۰۰–۱۰۰۰ برابر افزایش دهد، و تعداد سلول‌های دریافت‌کننده و بیان‌کننده ژن هدف را به طور چشمگیری بیشتر کند.
سلول هایی که می توانند مورد الکتروپوریشن قرار بگیرند عبارتند از:
- باکتری‌ها و مخمرها: الکتروپوراسیون روش استانداردی برای ترانسفورماسیون یا وارد کردن DNA به باکتری‌های E. coli و مخمرها است. این روش نسبت به روش‌های شیمیایی (مثل کلسیم کلرید) بازده بالاتری دارد و معمولاً در آزمایشگاه‌های میکروبیولوژی موجود است.
- سلول‌های گیاهی و جلبکی: اگرچه دیواره سلولی گیاهان کار را دشوار می‌کند، اما الکتروپوراسیون در برخی موارد برای انتقال ژن به پروتوپلاست‌های گیاهی (گیاهانی که دیواره سلولی‌شان برداشته شده) مورد استفاده قرار گرفته است. همچنین این روش به مهندسان زیستی امکان داده است جلبک‌های میکروسکوپی را برای تولید ترکیبات مفید مهندسی کنند. برای مثال، الکتروپوراسیون در جلبک‌هایی مانند Chlamydomonas reinhardtii و گونه‌های Nannochloropsis و دیگر سیانوباکتری‌ها برای انتقال ژن به‌کار رفته است.
- سلول‌های پستانداران: در سلول‌های پستانداران کشت‌شده، الکتروپوراسیون روش موثری برای وارد کردن پلاسمیدهای ژنی یا RNA است. این کاربرد اساس بسیاری از پژوهش‌های زیست‌پزشکی است، از تولید پروتئین‌های نوترکیب گرفته تا توسعه مدل‌های سلولی بیماری.
با توجه به این دستاوردها، الکتروپوراسیون می‌تواند در ایجاد موجودات تراریخته کمک کند و فرآیندهای کلونینگ مولکولی را ساده نماید. پس از انتقال موفق ژن، سلول‌های دریافت‌کننده ژن مهندسی‌شده به سرعت تکثیر می‌شوند و امکان تولید مقدار زیادی پروتئین یا محصول ژنتیکی را فراهم می‌آورند.
.
کاربردهای پزشکی و درمانی
در زمینه پزشکی، الکتروپوراسیون کاربردهایی در درمان سرطان، ژن‌درمانی و تولید واکسن‌های بیولوژیک دارد. از آنجا که این روش می‌تواند داروها یا مولکول‌های درمانی را به سلول‌های هدف وارد کند، در بهبود اثرگذاری درمان‌های هدفمند نقش مهمی یافته است. این کاربردهای پزشکی باعث شده الکتروپوراسیون در آزمایش‌های بالینی متعددی برای درمان سرطان و تولید واکسن وارد شود؛ به طوری که دستاوردهای مرحله I و II آزمایش‌های بالینی مؤید ایمنی و اثربخشی این روش بوده است.
- الکتروکموتراپی (Electrochemotherapy): ترکیبی از شیمی‌درمانی و الکتروپوراسیون است که برای درمان موضعی تومورهای سرطانی به‌کار می‌رود. در این روش ابتدا داروی ضدسرطان (مانند بلئومایسین) به محل تومور تزریق شده و سپس با پالس الکتریکی، غشاء سلول‌های سرطانی نفوذپذیر می‌شود. مطالعات بالینی نشان داده‌اند که در بیش از ۴۰۰۰ بیمار تحت درمان الکتروکموتراپی در اروپا، ۷۸٪ پاسخ درمانی حاصل شده و ۵۲٪ تومورها به طور کامل از بین رفته‌اند.
- الکتروپوراسیون برگشت ناپذیر (IRE): در این روش پالس‌های قوی و کوتاه به بافت‌های سرطانی داده می‌شود تا «نانوحفره»های دائمی در غشای سلولی ایجاد کند و سلول‌های تومورال را بدون تخریب حرارتی از بین ببرد. IRE به‌ویژه در درمان تومورهایی کاربرد دارد که در نزدیکی ساختارهای حیاتی (مانند عروق خونی یا اعصاب) قرار دارند، زیرا برخلاف سایر روش‌های حرارتی، ساختار ماتریکس بافت همسایه را حفظ می‌کند.
- ژن‌درمانی و واکسیناسیون ژنی: الکتروپوراسیون به ورود ایمن و کارآمد ژن‌های درمانی یا واکسن‌های DNA به سلول‌های بدن کمک می‌کند. برای مثال در بیماری‌های ژنتیکی مانند دیستروفی ماهیچه‌ای، الکتروپوراسیون برای تحویل نسخه سالم ژن به سلول‌های ماهیچه‌ای بیماران به کار رفته است. علاوه بر این، در تولید واکسن‌های نوترکیب، الکتروپوراسیون روش مؤثری برای افزایش بیان ژن واکسن در سلول‌های میزبان نشان داده است.
- توسعه دارو و تصویرسازی: در پژوهش‌های داروسازی، الکتروپوراسیون به کار می‌رود تا مولکول‌های ردیاب فلورسنت یا پروب‌های ژنتیکی را به سلول‌ها وارد کرده و فرایندهای بیولوژیک درون سلولی را بررسی کنند. همچنین در تولید مدل‌های حیوانی ترانسژن (نمودارهای حیوانی دارای ژن خارجی) از تکنیک الکتروپوراسیون برای اصلاح ژنی استفاده شده است.
.
صنایع غذایی و بیوتکنولوژی غذایی
الکتروپوراسیون در حوزه صنایع غذایی، به عنوان یک روش غیرگرمایی برای نگهداری و فرآوری مواد غذایی به کار می‌رود. اعمال پالس الکتریکی قوی به مواد غذایی می‌تواند غشای سلول‌های میکروبی را بدون تأثیر قابل‌ملاحظه بر مولکول‌های طعم یا مغذی درون ماده غذایی، دچار ناپایداری کند. برای مثال مطالعات نشان داده است که الکتروپوراسیون می‌تواند رنگ، طعم و میزان آنتی‌اکسیدان مواد غذایی را حفظ کرده و در عین حال باکتری‌ها و کپک‌ها را از بین ببرد. این روش در فرآوری آبمیوه‌ها، شیر و کنسروها و سایر محصولات با ماندگاری بالا مؤثر است. علاوه بر این، الکتروپوراسیون موجب افزایش راندمان استخراج ترکیبات داخل سلولی می‌شود؛ مثلاً پیش‌فرآوری با پالس الکتریکی باعث بهبود استخراج آب میوه از میوه‌جات یا روغن از دانه‌ها و جلبک‌ها شده است.
- حفظ و ماندگاری غذا: با استفاده از پالس‌های الکتریکی کوتاه و شدید، منافذی در غشای سلول‌های میکروبی عوامل فساد غذا ایجاد می‌شود که منجر به مرگ آن‌ها می‌شود؛ این کار بدون گرمادهی است و بنابراین طعم و بافت غذا سالم باقی می‌ماند.
- استخراج مواد مغذی: قبل از فرایند استخراج مواد (مانند آب میوه‌گیری یا عصاره‌گیری روغن) از میوه‌ها، سبزیجات یا دانه‌ها، پالس الکتریکی به بافت گیاهی اعمال می‌شود تا غشاء سلولی متخلخل شود و ترکیبات داخل سلولی راحت‌تر خارج گردند. این پیش‌فرآیند می‌تواند بازده استخراج را چندین برابر کند.
- بهبود کیفیت: گزارش‌ها نشان داده است که الکتروپوراسیون می‌تواند علاوه بر افزایش کیفیت محصولات غذایی (مانند حفظ آنتی‌اکسیدان‌ها و رنگ طبیعی)، باعث توسعه محصولات جدید (مانند فراورده‌های با بافت ویژه) و افزودن ترکیبات مفید جدید به غذاها شود.
از این رو، در بسیاری از مراکز تحقیقاتی و کارخانه‌های مدرن، الکتروپوراسیون به عنوان فناوری پاک (بدون نیاز به افزودنی‌های شیمیایی) برای فرآوری میوه‌ها، سبزیجات، آبمیوه‌ها و سایر مواد غذایی در نظر گرفته شده است.
.
سایر کاربردها (محیط‌زیست و صنعت)
کاربردهای الکتروپوریشن در زیست‌شناسی فراتر از آزمایشگاه و صنعت غذا رفته و در برخی زمینه‌های محیط‌زیستی و صنعتی نیز بررسی شده است. این کاربردها نشان می‌دهند که الکتروپوراسیون می‌تواند در «تصفیه و تخریب سلول‌های میکروبی» و همچنین «افزایش بهره‌وری فرایندهای زیست‌فناوری» نقش‌آفرین باشد.
- تصفیه آب و فاضلاب: الکتروپوراسیون می‌تواند با از بین بردن پاتوژن‌ها در آب و پساب (بدون افزودن مواد ضدعفونی‌کننده شیمیایی) کیفیت آب را بهبود دهد. این روش به‌عنوان یک راهکار بالقوه برای میکروب‌کشی سریع در تصفیه‌خانه‌های نوین مطرح است.
- افزایش تولید بیوگاز: در فرایند هضم بی‌هوازی لجن فاضلاب، پیش‌درمان لجن با پالس‌های الکتریکی شدید باعث می‌شود ساختار سلولی زنده‌ها باز شود و مواد آلی در دسترس باکتری‌های تولیدکننده متان قرار گیرد. به همین دلیل الکتروپوراسیون پیش از هضم بی‌هوازی، منجر به افزایش راندمان تولید بیوگاز (گاز متان) شده است.
- انجماد و نگهداری سلول‌ها (Cryopreservation): اعمال کنترل‌شده پالس الکتریکی می‌تواند آب داخل سلولی را به طور یکنواخت جابجا کرده و از تشکیل کریستال‌های یخی بزرگ جلوگیری کند. به این ترتیب بقای سلول‌ها پس از فرآیند انجماد – مانند برداشت تخمک یا اسپرم – افزایش می‌یابد.
- استخراج بیومواد صنعتی: علاوه بر مواد غذایی، پالس‌های الکتریکی برای استخراج ترکیبات از جلبک‌ها و گیاهان صنعتی نیز استفاده شده است؛ به عنوان مثال استخراج روغن از جلبک‌های میکروسکوپی یا قند از چغندر قند با پیش‌درمان الکتریکی گزارش شده است.
در مجموع، الکتروپوراسیون یک فناوری میان‌رشته‌ای است که نه تنها در پزشکی و مهندسی ژنتیک، بلکه در حوزه‌هایی مانند صنایع غذایی، محیط زیست و تولید انرژی زیستی نیز کاربرد دارد. با توجه به نتایج موفقیت‌آمیز فعلی و تنوع رو به رشد کاربردها، پیش‌بینی می‌شود الکتروپوراسیون در آینده‌ی نزدیک نقش گسترده‌تری در توسعه فناوری‌های پایدار پزشکی و صنعتی ایفا کند.
.
پارس تراوا، پیشگام در صنعت الکتروپوراسیون در ایران
پارس تراوا 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 در حوزه های مختلف بیولوژی و بیوتکنولوژی به یاری متخصصان، پژوهشگران و تولیدکنندگان می شتابد.
دستگاه‌های ما امکان کنترل دقیق قدرت میدان الکتریکی، پالس و تکرار را فراهم می‌کنند که برای بهینه‌سازی پروتکل‌ها بسیار مهم است. تیم مهندسی پارس تراوا می‌تواند با پژوهشگران همکاری کند تا پروتکل‌های سفارشی الکتروپوریشن را توسعه دهد. این گسترش همکاری مأموریت شرکت ماست تا بتوانیم پلی بین پژوهش دانشگاهی پزشکی و کاربردهای صنعتی ایجاد کنیم. 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
الکتروپوریشن یک فناوری هیجان‌انگیز در علوم مربوط به بیولوژی و بیوتکنولوژی است. پژوهش‌های جاری به بهبود پروتکل‌های مربوط به هر کاربرد این فناوری، از انتقال ژن گرفته تا الکتروشیمی درمانی و درمان سرطان کمک می کند. در این زمینه، همکاری بین توسعه‌دهندگان دستگاه و دانشمندان نقش کلیدی ایفا می کند. پارس تراوا آماده همکاری با دانشگاه‌ها و صنعت، در زمینه تامین سخت‌افزار و تخصص الکتروپوریشن پیشرفته است.
برای پرس‌وجو و مشاوره رایگان درباره سیستم‌های الکتروپوریشن ما همین امروز با پارس تراوا تماس بگیرید.
تماس با پارس تراوا:
واتس‌اپ: ۰۹۰۲۴۰۵۱۸۶۲
ایمیل: info@persiantarava.me
منابع:
Network for Development of Electroporation-Based Technologies and Treatments
Electroporation-Mediated Gene Delivery
Gene Delivery Technologies with Applications in Microalgal Genetic Engineering
