Aplikacije v okoljskem inženiringu
Elektroporacija je najpogosteje uporabljena v biotehnologiji na sledečih področjih: elektrotransformacija, ekstrakcija biomolekul in uničenje mikroorganizmov (Slika 1).
Slika 1: Uporaba elektroporacije v biotehnologiji (povzeto iz Kotnik et al., Trends Biotechnol. 33: 480-488, 2015).
ELEKTROTRANSFORMACIJA
Z reverzibilno elektroporacijo vstavimo DNA v mikroorganizem, ki postopek preživi in začne izražati vneseni gen. Tako lahko pridobimo večje količine različnih biomolekul (npr. antigenov, toksinov, hormonov in encimov), prilagodimo mikroorganizme na življenje v različnih pogojih ali jih uporabimo za bazične raziskave.
EKSTRAKCIJA MOLEKUL
Pri najpogosteje uporabljenih metodah ekstrakcije snovi iz mikroorganizmov pride do razpada membrane, kar povzroči sproščanje tudi neželenih snovi, kot so gostiteljeva DNA ali entotoksini (Slika 2). Pri ekstrakciji z elektroporacijo pa omogočimo selektivno sproščanje biomolekul iz mikroorganizma, ne da bi pri tem bistveno poškodovali membrane in povzročili sproščanje neželenih snovi.
Slika 2: Tretiranje bakterije. Slike Escherichia coli bakterije s presevnim elektronskim mikroskopom: (levo) netretirana bakterija; (sredina) tretirana z elektroporacijo; in (desno) tretirana mehansko. Merilna črtica predstavlja 200 nm (iz Haberl Meglič and Kotnik, Handbook on electroporation, Springer International Publishing Switzerland, 2016).
UNIČENJE MIKROORGANIZMOV
Če celico izpostavimo dovolj visoki jakosti električnega polja, njena membrana postane trajno prepustna, zaradi česar celice odmre. Na tak način odstranimo patogene mikroorganizme iz različnih voda, bolnišničnih odplak in tekoče hrane, kjer ne pride do uničenja vitaminov in ni opaznega vpliva na okus, barvo ali teksturo hrane.
Aplikacije v prehranskem inženiringu
Elektroporacija, na področju predelave hrane bolje poznana kot obdelava s pulzirajočim električnim poljem (angl Pulsed Electric Field – PEF), je metoda obdelave predvsem rastlinskega tkiva, ki ima to dobro lastnost, da je to navadno ne-termičen postopek; pri obdelavi z elektroporacijo temperatura ne naraste v pomembni meri. To posledično pomeni, da je z elektroporacijo mogoče obdelati tkivo in hkrati ohraniti naravno kvaliteto, barvo, in vitaminsko vsebnost prehranskih produktov. Glavni razlog za to tiči v tem, da za razliko od mehaničnega, termičnega, kemičnega, encimskega ali kakšnega drugega tradicionalnega načina obdelave, pri elektroporaciji kot kažejo raziskave ne pride do sprememb celične stene. Ta ostane med in po obdelavi bolj ali manj nedotaknjena, medtem ko se celična membrana permeabilizira, kot ilustrira Slika 1 spodaj.
Slika 1: Shematski prikaz v pomoč razumevanju efekta elektroporacije oz. obdelave s PEF na rastlinsko tkivo. Medtem ko je membrane premeabilizirana, ostane izvencelični matriks (polisaharidna celična stena) nepoškodovana. Posledično je v iztisnjenem soku nizka koncentracija neželenih sestavin, ki bi bile sicer prisotne v primeru mehanične, termične, itn… obdelave.
Nabor procesov, pri katerih se je elektroporacija izkazala kot koristna za ohranitev kvalitete, povečanje izkoristka, ali varčevanje z energijo vloženo v procesiranje, je obsežen, čeprav še ne izčrpen ali izčrpan. Primeri vključujejo, vendar niso omejeni na: višanje kvalitete in izkoristka pri pridobivanju dragocenih sestavin in sokov, pospeševanje procesa dehidracije, večanje tolerance surovih prehranskih produktov na neželene posledice hitrega zamrzovanja (prek omogočanja vakuumske impregnacije tkiva s sredstvom proti zamrzovanju), itd. Nova področja uporabe elektroporacije v prehranski industriji se hitro in redno pridružujejo že obstoječim, saj je to področje raziskav hitro se razvijajoče.
Slika 2: Spontano sproščanje tekočine iz elektroporirane rezine gomolja sladkorne pese (levo – neobdelan vzorec, desno – elektroporiran vzorec).
Elektroporacija ali obdelava s PEF je tudi predmet raziskav usmerjenih v iskanje boljših metod pasterizacije ali sterilizacije hrane, in sicer zaradi svojega anti-mikrobnega delovanja. Lahko je vključena v procese pasterizacije ali sterilizacije kot ena od faz celotnega postopka, poleg tega pa je bila elektroporacija predlagana tudi kot metoda za stimulacijo rastlinskega metabolizma.
Za uvod v pregled različnih uporab PEF v prehrambni industriji si lahko preberete denimo tale pregledni članek, ki ga je moč najti in prenesti tudi med Publikacijami na tej strani.