مقدمة عن جهاز الطرد المركزي

تعد جهاز الطرد المركزي أداة مستخدمة في جميع مختبرات الأبحاث الطبية الحيوية تقريباً في جميع أنحاء العالم.

الطرد المركزي هو عملية يتم فيها استخدام جهاز الطرد المركزي لفصل مكونات خليط معقد.

من خلال تدوير العينات المختبرية بسرعات عالية جداً، تتعرض مكونات خليط معين لقوة طرد مركزية، مما يؤدي إلى هجرة الجسيمات الأكثر كثافة بعيداً عن محور الدوران وتحرك الجسيمات الأخف وزناً نحوه. ويمكن لهذه الجسيمات أن تترسب في قاع الأنبوب فيما يعرف بالراسب (pellet)، ويمكن بعد ذلك معالجة هذه العينة المعزولة، أو المحلول المتبقي، وهو الطافي (supernatant)، أو تحليلها.

المكون الرئيسي لجهاز الطرد المركزي هو الدوار (rotor)، وهو الجزء المتحرك الذي يدور بسرعات عالية.

يمكن أن تكون الدوارات ثابتة في موضعها، أو يمكن لجهاز الطرد المركزي استخدام دوارات متعددة مثبتة فوق جزء يسمى المغزل (spindle).

عادةً ما يكون لدوار جهاز الطرد المركزي غطاء يتم ربطه بإحكام لمنع تطاير العينات للخارج.

تحتوي العديد من أجهزة الطرد المركزي على وحدة تبريد تسمح بالتحكم في درجة الحرارة الداخلية أثناء الدوران.

كما تحتوي أيضاً على مقابض أو أزرار لإدخال المعلمات الخاصة بكل عملية تشغيل، والتي يمكن أن تشمل مدة الدوران، ودرجة الحرارة، ومقدار الدوران من حيث السرعة أو القوة النسبية.

تُقاس سرعة الدوران بوحدة RPM، أو دورة في الدقيقة. وتعتبر قيمة RPM قيمة مخادعة، لأن سرعة جهاز الطرد المركزي ليست هي التي تسبب فصل الجسيمات عن الخليط، بل القوة المؤثرة على هذه الجسيمات.

ترتبط القوة المؤثرة على الجسيم بنصف قطر دوار جهاز الطرد المركزي، وبما أن أجهزة الطرد المركزي المختلفة لها أحجام دوارات مختلفة، فيمكن تطبيق قوى مختلفة عند نفس السرعة أو RPM.

يمكن أيضاً قياس قوة الطرد المركزي كقوة طرد مركزي نسبية، أو RCF. وعادةً ما يتم تمثيل RCF كمضاعف لتسارع الجاذبية الأرضية.

يُعبر عن RCF بأنه حاصل ضرب نصف قطر الدوار في مربع السرعة الزاوية مقسوماً على تسارع الجاذبية الأرضية.

يمكن ربط RCF بـ RPM من خلال المعادلة التالية، حيث يرمز r إلى نصف قطر جهاز الطرد المركزي مقاساً بالسنتيمتر (cm).

قد يعني استخدام هذه المعادلة الفرق بين فشل التجربة أو نجاحها، ولكن ليس عليك إجراء هذه الحسابات لكل إجراء جديد. فغالباً ما تأتي أجهزة الطرد المركزي مع مخططات بيانية (nomograms) يمكن أن تساعد في تحويل RCF إلى RPM بسهولة تامة. استخدم مسطرة للربط بين نصف قطر جهاز الطرد المركزي وقيمة RPM معينة، وذلك للحصول على قيمة RCF.

قبل البدء في طرد عيناتك مركزياً، ضع درجة الحرارة في الاعتبار. إذا كنت تستخدم جهاز طرد مركزي مبرداً، فستحتاج إلى وصول درجة الحرارة الداخلية للجهاز إلى القيمة المطلوبة قبل بدء عملية الطرد، أو يمكنك إيجاد طرق أخرى لتبريد الدوار.

تأكد من إحكام غلق جميع أغطية الأنابيب وتثبيتها مباشرة قبل البدء في عملية الطرد المركزي.

عند تحميل الأنابيب، تأكد من موازنة كل عينة بعينة أخرى تقع في الجهة المقابلة لها مباشرة.

إذا كان لديك أنبوب واحد فقط، فقم بتجهيز أنبوب آخر ليعمل كثقل موازن.

أما إذا كان لديك ثلاثة أنابيب، فيمكنك ترتيبها على شكل مثلث بحيث تكون على مسافات متساوية من بعضها البعض.

يعد موازنة الأوزان في جهاز الطرد المركزي أمراً بالغ الأهمية؛ حيث تصل دوارات جهاز الطرد المركزي إلى سرعات عالية وتمتلك طاقة حركية كبيرة، وإذا لم يتم موازنتها بشكل صحيح، فقد تندفع وحدة الطرد المركزي بأكملها من مكان استقرارها مما قد يسبب أضراراً جسيمة.

بمجرد التأكد من تثبيت الدوار والغطاء، قم بتشغيل جهاز الطرد المركزي وانتظر حتى يصل إلى السرعة المطلوبة. وإذا لاحظت وجود أي مشكلة، فاستدعِ عضواً خبيراً في المختبر لمساعدتك.

عند اكتمال عملية الطرد المركزي، يجب أن تظهر العينة البيولوجية في قاع الأنبوب على شكل كتلة مترسبة (pellet)، والتي انفصلت عن بقية المحلول، أو ما يعرف بالسائل الطافي (supernatant).

يمكن إزالة السائل الطافي إما عن طريق الصب (decanting) - وهو مصطلح علمي لعملية سكب السائل - أو عن طريق الشفط (aspirated) - وهو مصطلح يشير إلى استخدام قوة الشفط لإزالته.

بعد ذلك، يمكن إعادة العينة المنقاة إلى المحلول عبر عملية تسمى إعادة التعليق (resuspending). وغالباً ما يُشار إلى تكرار عمليات الطرد المركزي، أو تدوير الخلايا، متبوعة بشفط الخلايا وإعادة تعليقها في محلول منظم (buffer)، باسم غسل الخلايا (washing cells).

بعد أن تعرفت على بعض أساسيات عملية الطرد المركزي، حان الوقت لإلقاء نظرة على بعض أنواع أجهزة الطرد المركزي المتاحة والإجراءات التي يمكنك تنفيذها باستخدامها.

تعد أجهزة الطرد المركزي ذات الدوار ثابت الزاوية ربما النوع الأكثر شيوعاً من هذه الأجهزة التي ستصادفها في المختبر، وتندرج العديد من أجهزة الطرد المركزي المكتبية تحت هذه الفئة.

تُستخدم هذه الأجهزة، التي تستقر فيها الأنابيب في وضع ثابت ومائل، في بروتوكولات الطرد المركزي التفاضلي. وفي هذه البروتوكولات، يمكن استخدام سلسلة من عمليات الطرد المركزي بسرعات مختلفة لتنقية العينات البيولوجية مثل الخلايا الحيوانية. وعادةً ما تتضمن هذه البروتوكولات عدة خطوات لغسل الخلايا.

وعلى عكس الدوارات ثابتة الزاوية، تحتوي الدوارات المتأرجحة على حاملات أنابيب مرنة تسمح للعينات بالدوران نحو الخارج. وتكون هذه الدوارات مفيدة في تطبيقات مثل الطرد المركزي بتدرج الكثافة، حيث تهاجر العينات البيولوجية إلى طبقات متميزة من وسط التدرج. ويفيد هذا النوع من الطرد المركزي في عزل نوع واحد من الخلايا عن نوع آخر بسرعة، أو في عزل عضيات خلوية فردية.

وأخيراً، يعد جهاز الطرد المركزي الفائق (ultracentrifuge) الجهاز الأكبر والأقوى بين جميع أجهزة الطرد المركزي التي ستجدها في المختبر؛ حيث يمكنه الدوران بسرعة تتجاوز 70,000 rpm، مما يجعله مناسباً جداً لعزل الجزيئات الصغيرة، مثل DNA أو الفيروسات.

وبسبب السرعات العالية لهذا الجهاز، يجب توخي الحذر الشديد لضمان توازن الأحمال بشكل صحيح، والتأكد من إحكام تثبيت كل من الدوار والغطاء.

لقد شاهدتم للتو مقدمة JoVE حول عملية الطرد المركزي. استعرضنا في هذا الفيديو: ماهية جهاز الطرد المركزي وكيفية عمله، وكيفية تشغيل الجهاز واستخدامه، وبعض احتياطات السلامة، والتطبيقات المختلفة لعملية الطرد المركزي. شكراً للمشاهدة، وتذكروا دائماً موازنة الأنابيب.