מחקר משותף של חוקרים מהטכניון ושל מעבדות IBM בציריך הוביל לפיתוח שיטה חדשה המשתמשת בשדות חשמליים לצורך הפרדה של מולקולות וחלקיקים זעירים על פי גודלם. הטכנולוגיה החדשה ישימה בדגימות מאוד קטנות ועשויה, בעתיד הקרוב, לסייע בניתוח מהיר של דגימות מחולי קורונה.

היכולת להפריד בין חומרים שונים היא מרכיב מרכזי כמעט בכל תהליך אנליזה ביוכימי. תהליכי אבחון רבים, חקר חלבונים, ריצוף גנטי, ואף תהליכי פיתוח של תרופות חדשות, כולם משתמשים בשיטות שונות להפרדת מולקולות או חלקיקים כלשהם מתוך דגימה נתונה. דוגמה לשיטת הפרדה נפוצה היא סינון - שיטה שבה משתמשים במסננים כדי להפריד חלקיקים מוצקים מתוך נוזל. דוגמה נוספת היא זיקוק - שיטה המאפשרת להפריד בין נוזלים שונים על פי הבדלים בטמפרטורת הרתיחה שלהם. נציין שיש צורך בשתי השיטות, מכיוון שלזקק חלקיקים מוצקים מתוך תמיסה נוזלית זה לא תהליך יעיל במיוחד, בדומה לכך שלא נצליח להפריד בין שני נוזלים על ידי מסנן. 

בגלל המספר הרב של תהליכים ביוכימיים שונים וההבדלים המהותיים ביניהם, התפתחו במהלך השנים שיטות הפרדה רבות ושונות, בהתאם לייעוד שלהן. חלק מהשיטות מאוד מדויקות אך גם מאד מסובכות, חלק פשוטות אך גסות, חלק כלליות אך איטיות ואחרות מהירות אך מתאימות רק למטרה מאוד ספציפית. אחד הקשיים המשותפים לכל שיטות ההפרדה השונות, הוא הקושי להתמודד עם דגימות בעלות נפח מאד קטן.

שיתוף פעולה בין חוקרים מהמעבדה לטכנולוגיות מיקרוזרימה בטכניון בראשות פרופ' מורן ברקוביץ', ומעבדות מחקר של IBM בציריך בראשות ד"ר גובינד גאיקלה, הוביל לפיתוח שיטה חדשה המאפשרת להפריד ביעילות בין חלקיקים על פי גודלם, גם בדגימות מאוד קטנות. השיטה משתמשת בתופעה שנקראת זרימה אלקטרואוסמוטית (עליה כתבנו בעבר [1]), כדי לגרום לנוזל לנוע בו-זמנית בשני כיוונים מנוגדים - דבר שנשמע תחילה כבלתי אפשרי. 

למעשה מדובר על התקן זעיר ובו תעלה מיקרוסקופית שבתחתיתה מערכת אלקטרודות המאפשרת להכתיב את הפוטנציאל החשמלי שם. כאשר התעלה מתמלאת במים, נוצרת על רצפתה שכבת מטענים הנקראת "שכבה חשמלית כפולה" [1], ומטענים בשכבה זו ינועו תחת השפעת שדה חשמלי חיצוני. במצב רגיל, תחת שדה חשמלי אחיד, כל המטענים ינועו לאותו הכיוון ויגררו אחריהם את שאר הנוזל. אך כאן, בגלל היכולת לשלוט על הפוטנציאל החשמלי בתחתית התעלה, החוקרים יכולים לגרום למטענים לנוע לכיוונים שונים (ואף מנוגדים) למרות שעל כולם משפיע אותו השדה האחיד. 

אז איך כל זה עוזר להפריד חלקיקים על פי גודלם? ובכן, לחלקיקים בזורם (נוזל או גז) יש נטייה להתפזר מאזור עם ריכוז גבוה לאזור עם ריכוז נמוך, בתהליך שנקרא דיפוזיה (או פעפוע). נטייה זאת של חלקיקים נקראת דיפוזיביות והיא מושפעת מאד מגודל החלקיקים - חלקיקים גדולים הם בעלי דיפוזיביות נמוכה יותר מחלקיקים קטנים. כעת, דמיינו תעלה ארוכה וצרה שניתן לייצר בה שני פסים עם כיווני זרימה מנוגדים - פס ימני שהנוזל בו זורם קדימה ופס שמאלי שהנוזל בו זורם אחורה (ראו דוגמה בסרטון המצורף). חלקיק קטן שנמצא בפס הימני יתחיל לנוע קדימה עם הזרם, אך בגלל הדיפוזיביות הגבוהה שלו, הוא יעבור באופן אקראי מהפס הימני לפס השמאלי ולהיפך, כך שמהירותו הממוצעת תהיה אפס. המרחק הממוצע שחלקיק זה יעבור לפני שהוא יקפוץ מפס אחד לשני, נקרא "אורך חדירה", והוא נמצא ביחס הפוך לדיפוזיביות, כך שאורך החדירה של חלקיקים קטנים הוא קטן משמעותית מזה של חלקיקים גדולים יותר. אם אורך התעלה קטן מאורך החדירה של החלקיקים הגדולים בדגימה וגדול מזה של החלקיקים הקטנים בדגימה, ההתקן יגרום להפרדה מלאה בין שני סוגי החלקיקים. זאת מכיוון שכל החלקיקים הגדולים יעברו לצד השני של התעלה, בזמן שכל החלקיקים הקטנים יעצרו בסביבת אורך החדירה. תכנון נכון של המערכת, מאפשר "לסנן" חלקיקים בגודל רצוי אפילו מתוך דגימות קטנטנות, מה שהוביל את החוקרים לקרוא להתקן החדש bidirectional flow filter (מסנן מבוסס זרימה דו-כיוונית). 

אחד השימושים הפוטנציאלים לשיטה החדשה הוא ניטור מהיר ויעיל של נגיפי ה SARS-CoV-2. הנגיפים ניתנים לסימון ע"י סמנים פלורסנטים (לרוב נוגדנים) הנצמדים אליהם, וזוהרים תחת אור באורך גל מסוים. מכיוון שקוטר הנגיף הוא כ-100 ננומטר, וגודל הסמנים הוא בין 1 ל-10 ננומטר, ניתן להשתמש בשיטה החדשה כדי להפריד בין הנגיפים המסומנים ובין שאר החלקיקים הזוהרים בדגימה, ובכך למדוד ישירות את נוכחות הנגיף ואת ריכוזו. 

המאמר החדש [3], פורסם בכתב העת היוקרתי Angewandte Chemie, והוגדר על ידי אחד משופטי המאמר כ"תרומה עצומה לתחום ופריצת דרך שכמותה מתרחשות רק אחת לעשור או שניים".

נשאר רק לאחל הצלחה לחוקרים, ובריאות לכל הקוראים!

סרטון המדגים את השיטה החדשה.

מקורות וקריאה נוספת:

[1] פוסט קודם על זרימה אלקטרואוסמוטית

[2] קישור למאמר המקורי