האיטיים הם המהירים ביותר: שיטה חדשה להפרדת מולקולות וחלקיקים ביולוגיים בדגימות זעירות

פיתוח משותף של מדענים בטכניון ובמעבדות IBM בשוויץ: התקן המפריד חלקיקים ביולוגיים על פי גודלם באמצעות שדה חשמלי. ההתקן עשוי לשמש באבחון מהיר של חולי קורונה

מחקר משותף של חוקרים מהטכניון וממעבדות IBM בציריך הוביל לפיתוח שיטה חדשה להפרדה של חלקיקים ומולקולות מתוך דגימות קטנות. ההתקן עשוי לסייע בניתוח מהיר של דגימות מחולי קורונה, תחת מענק של רשות החדשנות.

במאמר שפרסמו החוקרים בכתב העת Angewandte Chemie הם מציגים שיטה חדשה להפרדה של חלקיקים ומולקולות ביולוגיות מנוזל. פיתוח זה הוגדר על ידי אחד משופטי המאמר (reviewers) כ”תרומה עצומה לתחום ופריצת דרך שכמותה מתרחשות רק אחת לעשור או שניים.”

מדובר בהתקן זעיר המפריד במהירות סוגים שונים של חלקיקים: חלקיקים קטנים נשארים בקרבת פתח הכניסה להתקן ואילו חלקיקים גדולים מתרחקים מהפתח במהירות. לשיטה החדשה קוראת הקבוצה BFF, קיצור של bidirectional flow filter (מסנן מבוסס זרימה דו-כיוונית). המאמר מציג אנליזה תאורטית של המערכת, אימות ניסויי שלה וקווים מנחים לתכן של התקנים עתידיים לשימושים שונים. את קבוצת המחקר בטכניון הוביל פרופ”ח מורן ברקוביץ’ מהפקולטות להנדסת מכונות ולהנדסה ביו-רפואית, ראש המעבדה לטכנולוגיות מיקרוזרימה.

ההתקן שמציגים החוקרים במאמר הוא שבב מיקרופלואידי (microfluidic chip) שבו מופרדת הדגימה הנוזלית למרכיביה על ידי הזרמתה בתעלות וירטואליות באמצעות אלקטרו-אוסמוזה – שליטה בזרימת נוזל על ידי שדות חשמליים ומטען פני השטח. במחקר הנוכחי השתמשו החוקרים בטכנולוגיה זו ליצירה של זרימה דו-כיוונית – הזרמה של הנוזל לשני כיוונים מנוגדים בעת ובעונה אחת. הגישה המסורתית – שליטה בזרימה באמצעות משאבות, שסתומים ותעלות – אינה מאפשרת להשיג דפוסי זרימה כאלה.

סרטון המסביר את המחקר

בהתקן החדש, כאשר חלקיקים מוזרקים את תוך שדה הזרימה הם מתנהגים באופן מוסבר היטב אך מפתיע: חלקיקים קטנים נשארים במקום ואילו חלקיקים גדולים מוסעים במהירות. לדברי הדוקטורנטית ונסה בצ’בה מהטכניון, אחת משני המחברים הראשיים של המאמר, “חלקיקים בנוזל ובגז נעים באופן אקראי – תופעה הקרויה תנועה בראונית. התנועה הזאת מובילה לכך שחלקיקים בגז נוטים להתפזר במרחב כך שבסופו של דבר יהיו מפוזרים בו באופן אחיד. זה המנגנון שבזכותו אנחנו יכולים להריח, לאחר זמן מסוים, בקבוק בושם שנפתח בצד השני של החדר – כי המולקולות נעות באופן אקראי ומתפזרות בחלל בתהליך שנקרא גם דיפוזיה.”

תהליכי דיפוזיה מאופיינים במיתאם בין גודל החלקיק לרמת הדִּיפוּזִיביוּת (diffusivity) שלו – חלקיקים קטנים הם דיפוזיביים יותר מחלקיקים גדולים. בהתקן החדשני שפיתחה קבוצת המחקר של פרופ”ח ברקוביץ’ מתקיימת זרימה דו-כיוונית, והתוצאה היא שהחלקיקים הגדולים בדגימה, המאופיינים בדיפוזיביות נמוכה, נסחפים עם הזרם, ואילו החלקיקים הקטנים מתרוצצים במהירות בין קווי הזרם ההפוכים ולכן חווים בממוצע מהירות אפס ונשארים סמוכים לפתח הכניסה לתא הזרימה. התוצאה היא התקן זעיר המפריד חלקיקים על פי גודלם.

“העיקרון כאן די פשוט,” אומר ד”ר פדריקו פרטורה, פוסט-דוקטורנט העובד במעבדות IBM בציריך, גם הוא מחבר מוביל במאמר. “למרבה ההפתעה זה דבר שלא נעשה עד כה, כנראה בשל מגבלות טכנולוגיות. אנחנו הצלחנו להתגבר על המגבלות האלה באמצעות מחקר מתמשך שכלל הרבה ניסיונות ושיפורים, והתוצאה היא התקן מוצק שאפשר לייצרו באופן מסחרי לטובת כלי דיאגנוסטיקה חדשים וכבסיס לכלי מחקר חדשים של דגימות זעירות.”

פרופ”ח מורן ברקוביץ’ מסביר כי “רוב ההתקנים לאבחון ביולוגי מבוססים על יצירת תגובה בין מולקולות חישה ((probes למולקולות או לחלקיקי המטרה שמחפשים, ואחריה הסרה של מולקולות החישה שלא נקשרו למטרה. התהליך הזה, במיוחד בשלב האחרון, מסובך מאוד ליישום בעיקר כשמדובר בדגימות קטנות. השיטה שלנו עושה זאת במהירות וביעילות, כל עוד מולקולות החישה והמטרה שונות מספיק זו מזו.”

כעת שוקד הצוות על התאמת השיטה לניטור מהיר של נגיף SARS-CoV-2 על סמך דגימה ממשטח גרון. ד”ר גובינד גאיקלה מ-IBM מסביר כי “למרבה המזל, הנגיפים גדולים יחסית – קוטרם כ-100 ננומטר, הרבה יותר גדול מנוגדנים או ממולקולות חישה אחרות שמשמשות אותנו. הרעיון שלנו הוא להכניס את הדגימה לתא הזרימה שלנו, שם הנגיפים ייפגשו מולקולות חישה זוהרות שייצמדו אליהם, ורק הנגיפים המסומנים יזרמו החוצה בזמן שמולקולות החישה העודפות יישארו מאחור.”

המחקר מומן על ידי מענק MetamorphChip מטעם הנציבות האירופית למחקר (ERC) ותוכנית BRIDGE שמממנות רשות החדשנות השוויצרית (Innosuisse) והקרן השוויצרית למדע (SNF).

למאמר המדעי