برای کمک به کاهش تغییرات آب و هوایی، شرکت ها از بیوراکتورها برای رشد جلبک ها و سایر میکروارگانیسم ها استفاده می کنند که صدها برابر درختان در جذب CO2 کارآمدتر هستند. در همین حال، در صنعت داروسازی، از کشت سلولی برای تولید داروهای بیولوژیک و سایر درمان های پیشرفته، از جمله درمان های سلولی و ژن نجات دهنده استفاده می شود.
هر دو فرآیند به دلیل تمایل سلول‌ها به چسبیدن به سطوح مختل می‌شوند که منجر به مقدار زیادی زباله و زمان خرابی برای تمیز کردن می‌شود. مشکل مشابه کاهش تولید سوخت زیستی، تداخل با حسگرهای زیستی و ایمپلنت ها و کاهش کارایی صنعت غذا و نوشیدنی است.
اکنون محققان MIT روشی را برای جدا کردن سلول ها از سطوح با استفاده از حباب های الکتروشیمیایی ایجاد کرده اند. در دسترسی باز مقاله منتشر شده تحولات علممحققان رویکرد خود را در یک نمونه اولیه آزمایشگاهی نشان دادند و نشان دادند که می‌تواند روی سلول‌ها و سطوح مختلف بدون آسیب رساندن به سلول‌ها کار کند.
پروفسور کریپا واراناسی، نویسنده ارشد این مطالعه، می‌گوید: «ما می‌خواستیم فناوری بسیار کارآمد، پلاگین و بازی‌سازی را توسعه دهیم و اجازه می‌داد سلول‌ها در صورت تقاضا وارد و حذف شوند تا جریان کار در این فرآیندهای صنعتی بهبود یابد.» “این یک مشکل اساسی در سلول ها است، و ما آن را با فرآیندی که مقیاس پذیر است حل کردیم. این مشکل برای بسیاری از برنامه های مختلف مناسب است.”
کسانی که در این مطالعه در بنارس شرکت می کنند عبارتند از نویسندگان همکار، برت واندریت، دانشجوی دکترا در مهندسی مکانیک، و محقق سابق فوق دکتری باپتیست بلان.
حل یک مشکل چسبنده
محققان با یک ماموریت شروع کردند.
بنارس می‌گوید: «ما در تلاش هستیم تا بفهمیم چگونه می‌توانیم CO2 را از منابع مختلف به طور موثر جذب کنیم و آن را به محصولات ارزشمند برای بازارهای نهایی مختلف تبدیل کنیم. اینجاست که فتوبیوراکتور و جداسازی سلولی وارد عمل می شود.
فوتوبیوراکتورها برای رشد سلول های جلبک جذب کننده کربن با ایجاد محیط های کاملاً کنترل شده حاوی آب و نور خورشید استفاده می شوند. آنها لوله های بلند و مارپیچی با سطوح شفاف دارند تا نور مورد نیاز برای رشد جلبک های سبک را وارد بدن کنند. هنگامی که جلبک به این سطوح می چسبد، نور را مسدود می کند و باید تمیز شود.
بنارس می گوید: «شما باید هر دو هفته یکبار کل راکتور را خاموش و تمیز کنید. “این یک چالش عملیاتی بزرگ است.”
محققان دریافتند که سایر صنایع به دلیل چسبندگی طبیعی یا چسبندگی بسیاری از سلول ها با مشکلات مشابهی روبرو هستند. هر صنعتی راه حل مخصوص به خود را برای چسبندگی سلول دارد، بسته به اینکه چقدر برای سلول ها بقای مهم است. در حالی که برخی از افراد سطوح را با تراشیدن تمیز می کنند، برخی دیگر از پوشش های خاصی استفاده می کنند که به سلول ها آسیب می رساند.
در صنایع داروسازی و بیوتکنولوژی، جداسازی سلولی معمولاً با استفاده از آنزیم ها انجام می شود. با این حال، این روش مشکلات زیادی را به همراه دارد. این می تواند به غشای سلولی آسیب برساند، زمان بر است و به مقادیر زیادی مواد مصرفی نیاز دارد و در نتیجه میلیون ها لیتر زباله بیولوژیکی ایجاد می کند.
برای ایجاد راه حل بهتر، محققان با بررسی سایر تلاش ها برای تمیز کردن سطوح با حباب شروع کردند که اساساً شامل پاشیدن حباب ها بر روی سطوح بود و تا حد زیادی بی اثر بود.
بنارس توضیح می‌دهد: «ما متوجه شدیم که نیاز داریم حباب‌ها روی سطوحی تشکیل شوند که نمی‌خواستیم این سلول‌ها به آنها بچسبند، بنابراین وقتی حباب‌ها از هم جدا می‌شوند، یک جریان مایع موضعی رخ می‌دهد که تنش برشی در سطح مشترک ایجاد می‌کند و سلول‌ها را حذف می‌کند.
جریان های الکتریکی آب را به هیدروژن و اکسیژن تقسیم می کند و حباب هایی تولید می کند. اما تلاش‌های قبلی برای استفاده از الکتریسیته برای جداسازی سلول‌ها توسط محیط کشت سلولی حاوی کلرید سدیم که در ترکیب با جریان الکتریکی به سفیدکننده تبدیل می‌شود، با مشکل مواجه شد. سفید کننده به سلول ها آسیب می رساند و آنها را برای بسیاری از کاربردها بی استفاده می کند.
واندریدت توضیح داد: “مقصر آند است؛ در اینجاست که کلرید سدیم به سفید کننده تبدیل می شود.” ما فکر کردیم اگر بتوانیم این الکترود را از بقیه سیستم جدا کنیم، می‌توانیم از تشکیل سفیدکننده جلوگیری کنیم.»
برای ایجاد سیستم بهتر، محققان یک سطح شیشه ای مربعی ۳ اینچی ساختند و یک الکترود طلا در بالای آن قرار دادند. لایه طلا آنقدر نازک است که جلوی نور را نمی گیرد. برای جدا نگه داشتن الکترود دیگر، محققان غشای ویژه ای را ادغام کردند که فقط به پروتون ها اجازه عبور می دهد. این راه‌اندازی به محققان این امکان را می‌دهد تا بدون تولید سفیدکننده، جریانی را ارسال کنند.
آنها برای آزمایش ساختار خود، به سلول های جلبکی در محلول غلیظ اجازه دادند تا به سطوح بچسبند. هنگامی که ولتاژ اعمال شد، حباب ها سلول ها را بدون آسیب رساندن به آنها از سطوح جدا کردند.
محققان همچنین تعامل بین حباب ها و سلول ها را بررسی کردند و دریافتند که هر چه چگالی جریان بیشتر باشد، حباب های بیشتری ایجاد می شود و جلبک های بیشتری حذف می شوند. آنها مدلی را برای درک میزان جریان لازم برای حذف جلبک ها در محیط های مختلف ایجاد کردند و آن را با نتایج آزمایش های مربوط به جلبک ها و همچنین سرطان تخمدان و سلول های استخوانی مطابقت دادند.
Vandereydt می گوید: “سلول های پستانداران بسیار حساس تر از سلول های جلبکی هستند، اما حتی با این سلول ها ما قادر به جداسازی آنها بدون هیچ تاثیری بر زنده ماندن سلول هستیم.”
مقیاس کردن
محققان می گویند سیستم آنها می تواند در کاربردهایی که سفید کننده یا سایر مواد شیمیایی می توانند به سلول ها آسیب برسانند، انقلابی ایجاد کند. این شامل تولید دارو و مواد غذایی می شود.
بنارس می‌گوید: «اگر بتوانیم این سیستم‌ها را بدون آلودگی یا مشکلات دیگر کار کنند، می‌توانیم آنها را بسیار مقرون به صرفه‌تر کنیم.
این تیم سیستم خود را برای صفحات کشت سلولی مورد استفاده در صنعت داروسازی متشکل از یک الکترود متشکل از یک الکترود است که می تواند به صورت رباتیک از یک صفحه کشت به دیگری منتقل شود تا سلول ها در حین رشد آنها جدا شود. همچنین می توان آن را در اطراف سیستم های جمع آوری جلبک پیچیده کرد.
بنارس می‌گوید: «این قابلیت کاربرد کلی دارد، زیرا مبتنی بر یک نیروی فیزیکی مستقل از سیستم است، نه هیچ درمان بیولوژیکی یا شیمیایی خاصی. همچنین برای بسیاری از فرآیندهای مختلف، از جمله حذف ذرات، بسیار مقیاس پذیر است.
Varanasi هشدار می دهد که باید کارهای زیادی برای افزایش مقیاس سیستم انجام شود. اما او امیدوار است روزی بتواند برداشت جلبک و سلول های دیگر را کارآمدتر کند.
«مسئله داغ زمان ما این است که به نوعی CO2 را جذب کنیم.۲ این فتو بیوراکتورها را می توان برای این مورد استفاده کرد، اما ما باید بر مشکل چسبندگی سلولی غلبه کنیم.
این کار تا حدی توسط Eni SpA از طریق ابتکار انرژی MIT، بورسیه بنیاد آموزشی آمریکایی بلژیکی و بورسیه ماریا زامبرانو حمایت شد.