Als je aan elektrische velden denkt, denk je waarschijnlijk aan elektriciteit: het spul dat het moderne leven mogelijk maakt door alles van stroom te voorzien, van huishoudelijke apparaten tot mobiele telefoons. Onderzoekers hebben de principes van elektriciteit bestudeerd sinds de jaren 1600. Benjamin Franklinberoemd om zijn vliegerexperiment, toonde aan dat bliksem inderdaad elektrisch was.
Elektriciteit heeft ook grote vooruitgang in de biologie mogelijk gemaakt. Een techniek genaamd elektroforese stelt wetenschappers in staat de moleculen van het leven – DNA en eiwitten – te analyseren door ze te scheiden op basis van hun elektrische lading. Elektroforese wordt niet alleen vaak onderwezen in de biologie op middelbare scholen, maar het is ook een werkpaard van veel klinische en onderzoekslaboratoria. inclusief de mijne.
Ik ben een hoogleraar biomedische technologie die werkt met geminiaturiseerde elektroforetische systemen. Samen ontwikkelen mijn studenten en ik draagbare versies van deze apparaten die snel ziekteverwekkers detecteren en onderzoekers helpen ertegen te vechten.
Wat is elektroforese?
Onderzoekers ontdekten elektroforese in de 19e eeuw door een elektrische spanning op kleideeltjes aan te brengen en te observeren hoe deze door een zandlaag migreerden. Na verdere vooruitgang in de 20e eeuw werd elektroforese de standaard in laboratoria.
Om te begrijpen hoe elektroforese werkt, moeten we eerst uitleggen elektrische velden. Dit zijn onzichtbare krachten die elektrisch geladen deeltjes, zoals protonen en elektronen, op elkaar uitoefenen. Een deeltje met een positieve elektrische lading wordt bijvoorbeeld aangetrokken door een deeltje met een negatieve lading. De wet van ‘tegenpolen trekken elkaar aan’ is hier van toepassing. Moleculen kunnen ook een lading hebben; of het positiever of negatiever is, hangt af van de soorten atomen waaruit het bestaat.
Bij elektroforese wordt een elektrisch veld gegenereerd tussen twee elektroden die op een voeding zijn aangesloten. Eén elektrode heeft een positieve lading en de andere een negatieve lading. Ze bevinden zich aan weerszijden van een bak gevuld met water en een beetje zout, dat elektriciteit kan geleiden.
Wanneer geladen moleculen zoals DNA en eiwitten in het water aanwezig zijn, creëren de elektroden daartussen een krachtveld dat de geladen deeltjes naar de tegengesteld geladen elektrode duwt. Dit proces wordt genoemd elektroforetische migratie.
Onderzoekers houden van elektroforese omdat het snel en flexibel is. Elektroforese kan helpen bij het analyseren van verschillende soorten deeltjes, van moleculen tot microben. Verder kan elektroforese worden uitgevoerd met materialen zoals papier, gels en dunne buizen.
In 1972, natuurkundige Stanislav Dukhin en zijn collega's observeerden een ander type elektroforetische migratie genaamd niet-lineaire elektroforese dat deeltjes niet alleen zou kunnen scheiden op basis van hun elektrische lading, maar ook op basis van hun grootte en vorm.
Elektrische velden en ziekteverwekkers
Verdere vooruitgang op het gebied van elektroforese heeft het tot een nuttig hulpmiddel gemaakt om ziekteverwekkers te bestrijden. In het bijzonder de revolutie in de microfluïdica mogelijk gemaakt kleine laboratoria waarmee onderzoekers ziekteverwekkers snel kunnen detecteren.
In 1999 ontdekten onderzoekers dat deze kleine elektroforesesystemen dat ook konden afzonderlijke intacte ziekteverwekkers door verschillen in hun elektrische lading. Ze plaatsten een mengsel van verschillende soorten bacteriën in een heel dun glazen capillair dat vervolgens werd blootgesteld aan een elektrisch veld. Sommige bacteriën verlieten het apparaat sneller dan andere vanwege hun verschillende elektrische ladingen, waardoor het mogelijk werd de microben op type te scheiden. Door hun migratiesnelheden te meten, konden wetenschappers elke soort bacterie in het monster identificeren via een proces dat minder dan 20 minuten duurde.
Microfluidica verbeterde dit proces nog verder. Microfluïdische apparaten zijn klein genoeg om in de palm van uw hand te passen. Door hun miniatuurformaat kunnen ze analyses veel sneller uitvoeren dan conventionele laboratoriumapparatuur, omdat deeltjes niet zo ver door het te analyseren apparaat hoeven te reizen. Dit betekent dat de moleculen of ziekteverwekkers waarnaar onderzoekers op zoek zijn, gemakkelijker kunnen worden gedetecteerd en minder snel verloren gaan tijdens de analyse.
Monsters die met conventionele elektroforesesystemen zijn geanalyseerd, zouden bijvoorbeeld door capillaire buisjes moeten reizen die ongeveer 30 tot 80 centimeter lang zijn. Het verwerken ervan kan 40 tot 50 minuten duren en is niet draagbaar. Ter vergelijking: monsters geanalyseerd met kleine elektroforesesystemen migreren door microkanalen die slechts 1 tot 5 centimeter lang zijn. Dit vertaalt zich naar kleine, draagbare apparaten met analysetijden van ongeveer twee tot drie minuten.
Niet-lineaire elektroforese heeft krachtigere apparaten mogelijk gemaakt door onderzoekers in staat te stellen ziekteverwekkers te scheiden en te detecteren op basis van hun grootte en vorm. Mijn laboratoriumcollega's en ik hebben laten zien dat het combineren van niet-lineaire elektroforese met microfluïdica niet alleen kan afzonderlijke, verschillende soorten bacteriële cellen maar ook levende en dode bacteriële cellen.
Kleine elektroforesesystemen in de geneeskunde
Microfluïdische elektroforese kan in alle sectoren nuttig zijn. In de eerste plaats kunnen deze kleine systemen conventionele analysemethoden vervangen snellere resultaten, meer gemak en lagere kosten.
Wanneer bijvoorbeeld het testen van de werkzaamheid van antibioticakunnen deze kleine apparaatjes onderzoekers helpen snel te bepalen of ziekteverwekkers na behandeling dood zijn. Het kan artsen ook helpen beslissen welk medicijn het meest geschikt is voor een patiënt, door snel onderscheid te maken tussen normale bacteriën en antibioticaresistente bacteriën.
Mijn laboratorium werkt ook aan de ontwikkeling van micro-elektroforesesystemen voor zuivering bacteriofaag virussen dat kan gebruikt worden bacteriële infecties behandelen.
Met verdere ontwikkeling kan de kracht van elektrische velden en microfluïdica de manier waarop onderzoekers ziekteverwekkers detecteren en bestrijden versnellen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op Het gesprek door Blanca H. Lapizco-Encinas van het Rochester Institute of Technology. Lees de origineel artikel hier.
