Кіріспе

Жасушаның бұзылуы – жасуша ішіндегі биологиялық молекулаларды босатуға арналған әдіс немесе процесс.

Әдістер

Клондау және өсіру әдістерін қолдана отырып, биологиялық қызығушылық тудыратын молекулаларды өндіру, оларды зерттеуге және өндіруге мүмкіндік береді. Бөлініп шығарылатын молекулалар ерекшеліктерінен басқа, қызығушылық тудыратын молекулаларды өндіретін жасушалар бұзылуға ұшырауы керек. Осы бетте әртүрлі әдістер талқыланады. Бұзудың тағы бір әдісі – жасуша қабығын шешу.

Балқаш әдісі

Жасушаларды бұзудың кең таралған зертханалық механикалық әдісі диаметрі белгілі бір мөлшерде болатын шыны, керамика немесе болаттан жасалған дөңгелектерді сулы ерітіндідегі үлгімен араластыруды қамтиды. Тим Хопкинс бұл әдісті 1970 жылдардың соңында әзірлеген. Үлгі мен дөңгелектердің қоспасы араластыру немесе шайқау арқылы жоғары деңгейдегі қозғалысқа ұшыратылады. Дөңгелектер жасушалық үлгімен соқтығысып, жасушаларды жарып, ішкі құрамдастарды босатады. Кейбір басқа әдістерден айырмашылығы, гомогенизация кезіндегі механикалық ығысу орташа деңгейде болады, бұл мембраналардың немесе жасуша ішіндегі құрылымдардың сапалы дайындамаларын алуға мүмкіндік береді. Көбінесе "дөңгелектермен соғу" деп аталатын бұл әдіс споралардан бастап жануарлар мен өсімдіктер тіндеріне дейінгі барлық жасушалық материалдар үшін жақсы жұмыс істейді. Бұл ашытқы лизісінің ең көп қолданылатын әдісі болып табылады және 50%-дан астам (көбінесе 95%-ға дейін) жасушалардың бұзылуын қамтамасыз ете алады. Оның басқа механикалық жасушаларды бұзу әдістеріне қарағанда кішкентай үлгілерді бұзуға, көптеген үлгілерді бір уақытта өңдеуге және процесте зиянды аэрозольдердің пайда болуын болдырмауға мүмкіндік беретін артықшылықтары бар. Әдістің ең қарапайым түрінде, жасуша немесе тіндер суспензиясына тең көлемде дөңгелектер қосылады және үлгі әдеттегі зертханалық вортекс араластырғышында қарқынды араластырылады. Өңдеу уақыты баяу болғанымен, арнайы шайқалатын машиналардағыдан 310 есе ұзаққа созылады, бұл оңай бұзылатын жасушалар үшін жақсы жұмыс істейді және төмен құнмен қол жетімді. Дөңгелектермен соғудың сәтті болуы шайқату машинасының конструкциялық ерекшеліктеріне ғана емес (шайқау тербелісінің жиілігі, шайқаудың амплитудасы немесе қашықтығы, шайқау және флаконның бағыты ескеріледі), сонымен қатар дөңгелектердің дұрыс мөлшерін (диаметрі), құрамын (шыны, керамика, болат) және флакон ішіндегі дөңгелектердің мөлшерін таңдауға байланысты. Көптеген зертханаларда дөңгелектермен соғу бірден жиырма төртке дейінгі партиялар көлемінде жабық пластикалық флаконшаларда немесе центрифуга түтіктерінде жүргізіледі. Үлгі мен ұсақ дөңгелектер жоғары қуатты электр моторларымен жұмыс істейтін арнайы жасалған алмалы-кезек шайқату машиналарында минутына 2000 тербеліс жылдамдығымен шайқалады. Жасушалардың бұзылуы 1–3 минуттық шайқаудан кейін аяқталады. SoniBeast деп аталатын дөңгелектермен соғудың бір түрі жасушалардың бұзылуын айтарлықтай жылдамдатады. Дәстүрлі машиналардан айырмашылығы, ол дөңгелектерді минутына 20 000 тербеліс жылдамдығымен айналмалы қозғалыспен қозғалтады. Терең қуысты микротитрлік пластиналарды ұстайтын үлкен дөңгелектермен соғу машиналары процестің уақытын қысқартады, сондай-ақ көптеген флакондарға немесе микропластиналарға дөңгелектерді жылдам жүктеуге арналған дөңгелектерді таратушылар да бар. Алдын ала толтырылған флакондар мен микропластиналар да қол жетімді. Барлық жоғары энергиялы дөңгелектермен соғу машиналары үлгіні минутына 10 градусқа дейін жылытады. Бұл гомогенизация кезінде дөңгелектердің үйкелісінен туындайды. Жылуға сезімтал ақуыздарға, мысалы, ферменттерге зақым келтірудің алдын алу үшін дөңгелектермен соғу кезінде немесе одан кейін үлгіні салқындату қажет болуы мүмкін. Үлгінің жылынуын қысқа уақыт аралығында дөңгелектермен соғу арқылы, әрбір аралықтан кейін мұздату арқылы, алдын ала салқындатылған алюминийден жасалған флакон ұстағыштарында өңдеу арқылы немесе дөңгелектермен соғу кезінде машина арқылы газ тәрізді салқындатқышты өткізу арқылы бақылауға болады. Үлкен үлгі көлемдеріне арналған басқа конфигурациядағы дөңгелектермен соғу машиналары 15, 50 немесе 200 мл камерада айналатын фторкарбонат роторын пайдаланады. Бұл конфигурацияда камераны статикалық салқындату қаптамасымен қоршауға болады. Осы ротор/камера конфигурациясын пайдалана отырып, көптеген литрлік жасуша суспензиясын өңдеуге арналған ірі коммерциялық машиналар бар. Қазіргі уақытта бұл машиналар ашытқы, балдырлар және бактериялар сияқты бір жасушалы организмдерді өңдеумен шектеледі.

Криопыралау

Қатты клеткадан тыс матрицасы бар, мысалы, жануарлардың дәнекер тіндері, кейбір ісіктің биопсиясы, веналық тіндер, шеміршектер, тұқымдар және т.б. үлгілер сұйық азот температурасында соққы арқылы ұнтақталып, ұсақ ұнтаққа дейін кешіріледі. Бұл әдіс криопырақтану деп аталады, себебі судың көп мөлшерін қамтитын биологиялық үлгілер өте төмен температурада қатты әрі сынғыш болады. Бұл әдісті алғаш рет 1975 жылы Смукер мен Пфистер сипаттап, оны криосоққылау деп атады. Авторлар осы әдіс арқылы жасушалардың тиімді бұзылатынын көрсетіп, фазалық және электрондық микроскопия арқылы сынған жазықтықтардың жасуша қабырғалары мен цитоплазмалық мембраналарды кесіп өтетінін растады. Бұл әдіс сұйық азот температурасына дейін салқындатылған итар және ысырап қолдану арқылы жасалуы мүмкін, бірақ бұл классикалық құралды пайдалану еңбекті талап етеді және үлгінің жоғалуы жиі алаңдатады. Бұл мақсатта арнайы тот баспайтын болаттан жасалған ұнтақтағыштар (Tissue Pulverizers) қолданылады. Олар аз күш жұмсауды қажет етеді, жақсы үлгіні қалпына келтіруге мүмкіндік береді және үлгілерді тазалау оңай. Бұл әдістің артықшылығы – ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының жоғары өнімділігі, әсіресе жоғарыда аталған механикалық немесе химиялық/еріткіштік жасушаларды бұзу әдістерін қолданудың алдындағы қадам ретінде пайдаланғанда.

Жоғары қысымды жасушалардың бұзылуы

1940 жылдан бері жоғары қысым жасушаларды бұзу әдісі ретінде қолданылып келеді, ең әйгілісі – француздық қысым жасушалар пресі, немесе қысқаша француз пресі. Бұл әдіс Чарльз Стейси Френч жасаған, ол жоғары қысымды пайдаланып жасушаларды тар саңылау арқылы өткізеді, нәтижесінде қысымның айырмашылығынан туындаған серпіліс күштерінің әсерінен жасушалар лизиске ұшырайды. Француз престері көптеген микробиологиялық зертханалардың қажетті құралы болғанымен, олардың өндірісі көбінесе тоқтатылды, бұл ұқсас технологияның баламалы қолданыстарын жаңартты. Қазіргі заманғы физикалық жасуша бұзғыштар әдетте пневматикалық немесе гидравликалық қысыммен жұмыс істейді. Пневматикалық машиналар әдетте арзан болғанымен, олардың өнімділігі ауа сорғысының қозғалысы бойындағы өңдеу қысымының өзгеруіне байланысты тұрақсыз болуы мүмкін. Гидравликалық машиналар, әсіресе ашытқы немесе грам-оң бактериялар сияқты бұзуға қиын жасушаларды өңдегенде, поршеньнің қозғалысы кезінде тұрақты қысымды сақтау қабілетіне байланысты жоғары лизистік қабілетке ие деп есептеледі. Гидравликалық қысыммен жұмыс істейтін француз пресі көбінесе қолданылатын жасуша түрлерінің 90%-дан астамын лизиске ұшыратуға қабілетті, сондықтан ол лизистік өнімділіктің алтын стандарты ретінде қарастырылады және заманауи машиналар лизистік тиімділік тұрғысынан ғана емес, сонымен қатар қауіпсіздік және пайдаланудың қарапайымдығы тұрғысынан да оған салыстырылады. Кейбір өндірушілер дәстүрлі конструкцияны жақсартуға тырысып, сынақты тесіктен өткізетін қысымнан басқа, осы машиналардың қасиеттерін өзгертуге ұмтылады. Мұндай мысалдың бірі – Constant Systems компаниясы, олар жақында өздерінің жасуша бұзғыштарының дәстүрлі француз пресінің өнімділігімен тең екенін көрсетті, сонымен қатар олар сол нәтижелерге әлдеқайда төмен қуатпен қол жеткізуге тырысуда. Қысым циклдік технологиясы ("PCT"). PCT – бұл патенттелген, мүмкіндік беретін технологиялық платформа, ол биологиялық үлгілердегі молекулалардың әрекеттерін қауіпсіз, ыңғайлы және қайталанатын түрде бақылау үшін қоршаған ортаның гидростатикалық қысымының ауыспалы циклдарын (90 000 фунт/квадрат дюймға дейін) пайдаланады, мысалы, адам, жануар, өсімдік және микроби ағзаларынан алынған жасушалар мен тіндердің жарылуын (лизисін) және патогендерді белсенді етуді. PCT-мен жақсартылған жүйелер (құралдар мен материалдар) биологиялық үлгіні дайындаумен байланысты кейбір қиын мәселелерді шешеді. PCT артықшылықтарына мыналар жатады: (а) мембраналық ақуыздарды көбірек алу және қалпына келтіру, (б) ақуыздық қорытылуды жақсарту, (в) аралас үлгі негізінде дифференциалдық лизисті, (г) патогендерді белсенді етуді, (д) ДНК-ны анықтауды арттыру және (е) үлгіні дайындау процесін ерекше бақылау. Жасушаларды бұзу үшін қолданылатын микрофлюидизатор әдісі лизиске ұшыраған жасушалар суспензиясының физикалық-химиялық қасиеттеріне, мысалы, бөлшектердің мөлшеріне, тұтқырлығына, ақуыздық өнімділігіне және ферменттік белсенділігіне күшті әсер етеді. Соңғы жылдары микрофлюидизатор әдісі көптеген жасушаларды бұзуда пайдаланудың оңайлығы мен тиімділігіне байланысты танымал болды. Микрофлюидизатор технологиясы Arthur D. Little компаниясынан лицензияланған және алғаш рет 1980 жылдары липосомаларды жасау құралы ретінде пайдаланылған. Содан бері ол жасушалардың бұзылуы, наноэмульсиялар және қатты бөлшектердің мөлшерін азайту сияқты басқа да қолданыстарда қолданылады. Белгілі геометриясы бар микроканалдарды және күшейткіш сорғыны пайдалану арқылы жасушаларды жарып жіберетін жоғары серпіліс жылдамдықтары туындайды. Бұл жасуша лизисінің әдісі E. coli жасушаларының 90%-дан астамын бұзуға мүмкіндік береді. Көптеген ақуыздар температураға өте сезімтал, және көп жағдайда 4 градус Цельсий температурасында денатрурациялануы мүмкін. Микроканалдардағы температура 4 градустан жоғары, бірақ машина тез суытылады, сондықтан жасушалардың жоғары температураға ұшырауы өте қысқа (тұралу уақыты 25-40 мс). Осы тиімді температураны бақылаудың арқасында микрофлюидизатор температураға сезімтал ақуыздар мен ферменттердің жоғары деңгейін қамтамасыз етеді. Жасушаларды бұзғанда тұтқырлықтың өзгеруі де жиі байқалады. Егер жасушалар суспензиясының тұтқырлығы жоғары болса, онда сүзгілеу және дәл пипеттеу сияқты келесі өңдеуді қиындатады. Микрофлюидизатормен байқалатын тұтқырлықтың өзгеруі салыстырмалы түрде аз және машина арқылы қосымша өтулермен азаяды. Басқа механикалық бұзу әдістерінен айырмашылығы, микрофлюидизатор жасуша мембраналарын тиімді, бірақ берекелі түрде бұзады, нәтижесінде салыстырмалы түрде үлкен жасуша қабырғасының фрагменттері (450 нм) пайда болады, бұл жасушаның ішкі мазмұнын бөлуді жеңілдетеді. Бұл сүзгілеу уақытын қысқартуға және центрифугалық ажыратуды жақсартуға әкелуі мүмкін. Микрофлюидизатор технологиясы бір миллилитрден мыңдаған литрге дейін ауқымды.

Азотты қысымды азайту

Азотты декомпрессия үшін, азоттың үлкен көлемі алдымен жасуша ішінде, қолайлы қысым ыдысының ішінде жоғары қысыммен ерітіледі. Содан кейін, газ қысымы кенеттен босатылғанда, азот ерітіндіден кеңейіп жатқан көпіршіктер түрінде шығады, бұл әрбір жасушаның мембранасын жарып, жасуша мазмұнын шығарады. Азотты декомпрессия ферменттер мен органеллаларды ультрадыбыстық және механикалық гомогендеу әдістерінен жақсы қорғайды және ПТФЕ және шыны ерітіндіш және иінтірек гомогендеушіде алынған бақыланатын бұзу әрекетімен салыстырылады. Басқа бұзу әдістері ыстық тудыратын үйкеліс немесе механикалық қию әрекетіне байланысты болса, азотты декомпрессия процедурасы үлгіні қыздырудың орнына салқындататын адиабаттық кеңеюмен бірге жүреді. Жасуша суспензиясымен және гомогенатымен қанықтыратын инертті азот газының қабығы жасуша компоненттерінің тотығуынан қорғайды. Бұл техникада көмірқышқыл газы, азотты оксид, көміртек оксиді және қысылған ауа сияқты басқа газдар да қолданылса да, азоттың реакцияға түспейтін қасиеті және оның суспензия ортасының pH-ын өзгертпеуі себепті артықшылық беріледі. Сонымен қатар, азот көбінесе төмен бағада және осы процедураға қажетті қысымда қол жетімді болғандықтан қолайлы. Босатылғаннан кейін, субклеткалық заттар үлгінің денатурациялануына немесе қажетсіз зақымдануына себеп болатын әсерге ұшырамайды. Ферменттік белсенділік пен бұзу пайызы арасындағы ең жоғары нүктені іздеудің қажеті жоқ. Азот көпіршіктері әрбір жасуша ішінде пайда болғандықтан, бұзу күші үлгінің барлық бөлігіне біркелкі қолданылады, осылайша өнімнің ерекше біртектілігі қамтамасыз етіледі. Жасушасыз гомогенаттар жасауға болады. Бұл техника жасушалар мен тіндерді гомогендеу, толық органеллаларды босату, жасуша мембраналарын дайындау, лабильді биохимиялық заттарды босату және үлгіні экстремалды химиялық немесе физикалық стресске ұшыратпай біркелкі және қайталанатын гомогенаттарды жасау үшін қолданылады. Бұл әдіс сүтқоректілердің және басқа да мембранаға байланысқан жасушаларды өңдеуге өте қолайлы. Ол өсімдік жасушаларын өңдеу, ұрықтандырылған жұмыртқалардан вирус бөліп алу және нәзік бактерияларды өңдеу үшін де сәтті қолданылған. Өңделмеген бактериялық жасушаларға қолдану ұсынылмайды. Ашытқы, саңырауқұлақ, споралар және басқа да қатаң жасуша қабырғалары бар материалдар бұл әдіске жақсы жауап бермейді.