Роль центрифуг в биотехнологических исследованиях

Энди Тэй, доктор философии, научный писатель-фрилансер из Сингапура. С ним можно связаться по адресу [email protected].

Центрифуга – одно из наиболее распространенных устройств в биологической лаборатории. Прибор использует центробежную силу для разделения компонентов жидкости, в результате чего более плотные частицы оседают на дно центрифужной пробирки. После центрифугирования частицы разделяются на слои в зависимости от их плотности.

Одним из наиболее полезных применений центрифуг в биотехнологиях является диагностика здоровья. Типичным примером являются медицинские осмотры с использованием панели биомаркеров крови. Центрифуги являются важной частью обработки проб, поскольку в пробе крови содержится множество элементов, которые необходимо максимально отделить, чтобы поставить точный диагноз. После центрифугирования кровь разделяется на три слоя. Нижний слой содержит эритроциты. Процент эритроцитов и количество переносимого ими кислорода можно использовать для диагностики таких состояний, как анемия, когда эритроцитов недостаточно для переноса кислорода. Средний слой — это лейкоциты, и их количество может дать информацию о способности организма бороться с инфекцией. Верхний слой — это плазма, которая содержит общие биомаркеры, такие как мочевина и креатин, которые указывают на здоровье почек.

Внеклеточные везикулы представляют собой мембраносвязанные везикулы размером 30–10 000 нм, секретируемые клетками, которые играют роль в клеточных коммуникациях. Они производятся в небольших количествах, но их можно выделить из жидкостей организма, таких как кровь, моча и слюна, с помощью ультрацентрифуг, чтобы получить информацию о здоровье. Например, раковые клетки секретируют больше внеклеточных везикул, чем их здоровые аналоги, и было обнаружено, что их везикулы содержат онкопротеины и виды РНК, которые способствуют прогрессированию рака, включая метастазирование. Анализируя содержимое внеклеточных везикул, исследователи пытаются разработать биомаркеры для диагностики и наблюдения за раком.

Ультрацентрифуги играют ключевую роль в выделении чистых внеклеточных везикул, поскольку они могут вращаться с гораздо более высокой скоростью, чем обычные центрифуги, для разделения частиц с одинаковой плотностью. В плазме крови существует множество типов биомолекул и клеточных выделений одинаковой плотности, и для выделения выбранного аналита эти компоненты необходимо очень тонко разделить, чтобы получить чистый образец. Именно поэтому ультрацентрифугирование для выделения внеклеточных везикул может занять несколько часов и несколько этапов промывания и очистки.

Внеклеточные везикулы также разрабатываются биотехнологическими компаниями для доставки лекарств благодаря их биоактивным свойствам и тропизму к целевым тканям. В этом случае еще одна причина, по которой ультрацентрифуги являются важным оборудованием для выделения внеклеточных везикул из произведенных клеток, связана с их масштабируемостью. Для терапевтических целей необходимо быстро выделить большое количество внеклеточных везикул, но клетки производят лишь ограниченное их количество. Ультрацентрифуга, которая может работать с несколькими образцами одновременно с высокой производительностью изоляции, идеально подходит для биотехнологического производства.

Новые центрифуги оснащены программируемым ускорением и замедлением, что, как было доказано, помогает прекратить нежелательные побочные реакции и сократить время ожидания. Эта функция также может минимизировать механическое повреждение внеклеточных везикул во время ультрацентрифугирования.

Охлаждение является важной особенностью центрифуг, позволяющей минимизировать денатурацию образцов, особенно таких биомолекул, как белки. Предварительное охлаждение роторов центрифуг и минимальное повышение температуры при вращении роторов на максимальной скорости также полезны для предотвращения повреждения проб, вызванного перегревом.

Поскольку все больше научно-исследовательских институтов становятся «зелеными», производители разрабатывают центрифуги, которые более экологичны, обеспечивая более низкое потребление энергии и используя материалы, пригодные для вторичной переработки.