الرحلان الكهربائي

ما هو الرحلان الكهربائي

الرحلان الكهربائي هو عملية كهربائية حركية تفصل الجسيمات المشحونة في سائل باستخدام مجال الشحنة الكهربائية، وغالبًا ما يستخدم في علوم الحياة لفصل جزيئات البروتين أو الحمض النووي ويمكن تحقيقه من خلال عدة إجراءات مختلفة اعتمادًا على نوع وحجم الجزيئات.

تختلف الإجراءات في بعض الجوانب، ولكنها تتطلب جميعها مصدرًا للشحن الكهربائي ووسيط دعم ومحلولًا عازلًا، حيث يستخدم الرحلان الكهربائي في المعامل لفصل الجزيئات بناءً على الحجم والكثافة والنقاء.

يتم تطبيق حقل كهربائي على الجزيئات، ونظرًا لأن الجزيئات نفسها مشحونة كهربائيًا، فإنها تتأثر بالقوة الناجمة عن المجال الكهربائي. وكلما زادت شحنة الجزيء، زادت القوة المؤثرة عليه بواسطة المجال الكهربائي، وبالتالي زادت حركة الجزيء في وسط الدعم بالنسبة لكتلته.

تشمل بعض أمثلة تطبيقات الرحلان الكهربائي تحليل الحمض النووي والحمض النووي الريبي، بالإضافة إلى الفصل الكهربائي للبروتين، وهو إجراء طبي يستخدم لتحليل وفصل الجزيئات الموجودة في عينة سائلة (مثل عينات الدم والبول).

وعادةً ما تُستخدم أنواع مختلفة من المواد الهلامية كوسيط دعم للرحلان الكهربائي وقد يكون هذا في شكل لوح أو أنبوب اعتمادًا على أيهما أكثر فائدة، وتتيح ألواح الهلام تشغيل العديد من العينات في وقت واحد، وبالتالي يتم استخدامها بشكل متكرر في المختبرات، ومع ذلك، فإن المواد الهلامية الأنبوبية تعطي دقة أفضل للنتائج، لذلك يتم اختيارها غالبًا من أجل الفصل الكهربائي للبروتين.

أنواع الرحلان الكهربائي

يعد الفصل الكهربائي أحد أبسط الأدوات التحليلية وأكثرها حساسية المستخدمة في فصل البروتينات والأحماض النووية والجزيئات البيولوجية الأخرى في محاليل العينات، ومع ذلك، هل تعلم أن هناك حوالي ثمانية أنواع من الرحلان الكهربائي وأن كل واحدة من هذه التقنيات يمكن أن تعطيك معلومات فريدة وقيمة عن البروتين الذي تستهدفه، ومن هذه الأنواع المختلفة ما يلي:

الرحلان الكهربائي الروتيني

الرحلان الكهربائي الروتيني هو الأسلوب المخبري السريري التقليدي والأكثر استخدامًا لفصل البروتينات والأحماض النووية، وعادة ما يتم تنفيذ هذه التقنية على جل بلاطة مستطيل الشكل وتسمى أيضًا “الرحلان الكهربي للمنطقة” لأنه يمكن أن يستوعب عدة عينات وعناصر تحكم على هلام واحد.

يمكن استخدامه لفصل المواد المذابة في دورة واحدة، ويمكن استخدامه أيضًا في فصل السائل الدماغي النخاعي وبروتينات البول، والإنزيمات المتماثلة، والبروتينات الدهنية، والهيموجلوبين.

الرحلان الكهربائي عالي الدقة

الرحلان الكهربي عالي الدقة (HRE) ليس سوى رحلان كهربي روتيني يستخدم جهدًا عاليًا، وعادةً ما يوصى بهذه التقنية بشدة إذا كنت بحاجة إلى دقة بروتين أعلى “مثل فصل بروتينات السائل النخاعي للكشف عن التصلب المتعدد، وفصل سلاسل الضوء في البول للكشف المبكر عن الورم النقوي المتعدد ، وما إلى ذلك”.

نظرًا لأن زيادة الجهد يؤدي أيضًا إلى زيادة الحرارة الناتجة، فإن HRE يتضمن أجهزة تبريد لمنع تمزق البروتينات وتجفيف الهلام والمكونات الأخرى.

بولي أكريلاميد (PAGE)

عادة ما يستخدم الرحلان الكهربائي بواسطة مادة الأكريلاميد، المعروفة أيضا باسم PAGE، لفصل البروتينات بناء على الحجم الجزيئي ونسبة الشحنة إلى الكتلة. وباستخدام الألواح العمودية أو الهلام المدمج في قضبان أو أسطوانات عمودية، يمكن للباحثين فصل الحمض النووي المكون من 100 زوج قاعدي أو أقل وتحليل البروتينات الفردية في مصل الدم، مثل المتغيرات الجينية والإنزيمات المتشابهة.

على الرغم من بساطته وسرعته في الفصل، يفضل الباحثون PAGE لأن المواد الهلامية مستقرة على نطاق واسع من القيم الهيدروجينية ودرجات الحرارة، ويمكن تشكيل المواد الهلامية بحجوم مسام مختلفة.

الرحلان الكهربي الشعري (CE)

يتم تنفيذ التفريد الكهربي على الشعيرات الدموية ذات القطر الأصغر من المليمتر، والتي تعرف باسم الأنابيب الشعرية السيليكا شديدة الرقة والمنصهرة، والتي يتراوح قطرها الداخلي بين 25 و 100 مم. يتم الجمع بين التحليل الكهربي والكروماتوجرافيا السائلة عالية الأداء لتسهيل فصل المادة التحليلية.

يفضل الكثير من الباحثين استخدام CE لأنه يتطلب كمية صغيرة من العينة، ويكون فعالًا للغاية، وينتج نتائج سريعة، ويمكن أن يكون آليًا بسهولة.

التركيز الكهروضوئي (IEF)

إذا كنتم ترغبون في فصل المركبات المترددة “مثل البروتينات” بدقة أعلى، فيجب عليكم استخدام هذا التركيز الكهروضوئي، حيث يستخدم IEF مواد هلامية مشبعة بمواد كيميائية لإنشاء تدرج في درجة الحموضة عبر سطح الهلام، ويطبق جهدا عاليا جدا لتسهيل انتقال جزيئات البروتين إلى النقطة التي تصبح فيها صافي شحنتها صفرا “نقطة متساوية الكهرباء.

يشمل بعض مزايا استخدام تحليل الكهرباء الأيونية سهولة الإجراء، حيث لا يهم وضع تطبيق العينة لأن البروتين سيتم توجيهه دائمًا ليتوافق مع موضعه ودقته العالية.

الرحلان الكهربي للتثبيت المناعي (IFE)

بشكل عام، يتم استخدام IFE في الكشف عن اعتلالات الغلوبولين المناعي وحيدة النسيلة أو التوسعات أحادية النسيلة لجسم مضاد واحد غير وظيفي مثل IgA و IgG و IgM ، والتي قد يشير وجودها إلى حالات مثل المايلوما المتعددة أو والدنستروم macroglobulinemia، ويمكن استخدامه أيضًا في دراسة مستضدات البروتين ومنتجاتها المنقسمة.

الرحلان الكهربائي للجل النبضي (PFGE)

لا يمكن تجزيء جزيئات الحمض النووي الكبيرة التي يفوق حجمها 50 كيلو قاعدة (kb) باستخدام تقنية الفصل الكهربائي التقليدية (AGE أو PAGE)، نظرا لأن حجم مسام الهلام يكون صغيرا جدا لا يسمح بترحيلها. ومع ذلك، يمكن استخدام تقنية الفصل الكهربائي للهلام النبضي (PFGE) لتسهيل تجزيء جزيئات الحمض النووي الكبيرة بنجاح حتى 10 ميجا بايت.

وتفصل PFGE شظايا الحمض النووي بشكل فعال عن طريق تطبيق تيار كهربائي يغير الاتجاه باستمرار على مصفوفة الهلام، ومن خلال تبديل الأقطاب الموجبة والسالبة في دورات أثناء الرحلان الكهربائي، وتضطر جزيئات الحمض النووي إلى إعادة توجيه نفسها، وفي النهاية تنقسم إلى أجزاء أصغر، ويستخدم PFGE بشكل شائع في التنميط الجيني أو البصمات الجينية ويعتبر المعيار الذهبي في التصنيف الفرعي للبكتيريا نظرًا لبساطته وقابليته للتكاثر.

ومع ذلك، يتطلب هذا البروتوكول وقتًا طويلاً للغاية ومستوى عالٍ من المهارات، بالإضافة إلى أنه قد يكون من الصعب تفسير النتائج، نظرًا لأن الأجزاء مفصولة بحسبحجمها وليس على أساس التسلسل، وقد لا تكون الأجزاء من نفس الحجم أو من نفس الجزء من الكروموسوم.

الرحلان الكهربائي ثنائي الأبعاد

في تقنية الرحلان الكهربائي ثنائي الأبعاد، يتم فصل العينة باستخدام طريقتين مختلفتين للفصل، مثل استخدام IEF تليه PAGE أو AGE. يتم تحديد الفصل في اتجاهين مختلفين في الزوايا اليمنى لبعضهما البعض. نظرا لأن النطاقات الناتجة يتم حلها بشكل أكبر باستخدام الفصل الكهربائي الثاني، فمن المحتمل أن تحصل على مزيد من المعلومات من العينة.

يعد الرحلان الكهربائي ثنائي الأبعاد متخصصا عاليا ويستخدم على نطاق واسع في أبحاث البروتينات وعلم الوراثة، وهو قادر على تحليل آلاف البروتينات في دورة واحدة، وتتطلب هذه التقنية كمية كبيرة من العينة الأولية ولها إمكانية استنساخ محدودة وإنتاجية منخفضة، وبالإضافة إلى ذلك، تعمل هذه التقنية فقط مع الجزيئات الحيوية ذات الحجم المتوسط إلى الكبير ولا تنتج قياسات دقيقة.