مادة واقية من التجمد

المواد الواقية من التجمد هي مواد تُستخدم لحماية الأنسجة الحيوية من أضرار التجمد (أي تلك الناجمة عن تكوّن الجليد). تُنتج الحشرات والأسماك والبرمائيات في القطبين الشمالي والجنوبي مواد واقية من التجمد ( مركبات وبروتينات مضادة للتجمد ) في أجسامها لتقليل أضرار التجمد خلال فترات الشتاء الباردة. كما تُستخدم هذه المواد لحفظ المواد الحية في الدراسات البيولوجية ولحفظ المنتجات الغذائية.

لسنوات، استُخدم الجلسرين في علم الأحياء التجميدي كمادة حافظة للخلايا الدموية والحيوانات المنوية للثيران، مما يسمح بتخزينها في النيتروجين السائل عند درجات حرارة تقارب -196 درجة مئوية. مع ذلك، لا يُمكن استخدام الجلسرين لحماية الأعضاء الكاملة من التلف. لذا، تُجري العديد من شركات التكنولوجيا الحيوية أبحاثًا لتطوير مواد حافظة أخرى أكثر ملاءمةً لهذه الاستخدامات. قد يُتيح اكتشاف ناجح في نهاية المطاف إمكانية التخزين التجميدي بكميات كبيرة (أو "حفظ") للأعضاء البشرية والغريبة القابلة للزرع . وقد تحققت بالفعل خطوة كبيرة في هذا الاتجاه. إذ نجحت شركة "طب القرن الحادي والعشرين" في تجميد كلية أرنب إلى درجة حرارة -135 درجة مئوية باستخدام مزيج التجميد الخاص بها. وبعد إعادة تسخينها، زُرعت الكلية بنجاح في أرنب، مع الحفاظ على وظائفها وحيويتها الكاملة، مما يُمكّن الأرنب من البقاء على قيد الحياة إلى أجل غير مسمى ككلية عاملة وحيدة. ^[¹^]

الآلية

تعمل المواد الواقية من التجمد عن طريق زيادة تركيز المواد المذابة في الخلايا. ومع ذلك، لكي تكون فعالة بيولوجيًا، يجب أن تخترق الخلايا بسهولة وألا تكون سامة لها.

درجة حرارة التحول الزجاجي

تعمل بعض المواد الواقية من التجمد عن طريق خفض درجة حرارة التحول الزجاجي للمحلول أو المادة. وبهذه الطريقة، تمنع المادة الواقية من التجمد التجمد الفعلي، ويحافظ المحلول على بعض المرونة في الحالة الزجاجية. كما تعمل العديد من المواد الواقية من التجمد عن طريق تكوين روابط هيدروجينية مع الجزيئات البيولوجية عند إزاحة جزيئات الماء. تُعد الروابط الهيدروجينية في المحاليل المائية مهمة لوظيفة البروتينات والحمض النووي DNA بشكل سليم. وبالتالي، مع استبدال المادة الواقية من التجمد لجزيئات الماء، تحتفظ المادة البيولوجية ببنيتها ووظيفتها الفسيولوجية الأصلية، على الرغم من أنها لم تعد مغمورة في بيئة مائية. تُستخدم استراتيجية الحفظ هذه غالبًا في حالة الجفاف التام .

سمية

تتميز مخاليط المواد الواقية من التجمد بانخفاض سميتها وفعاليتها العالية مقارنةً بالمواد الواقية من التجمد أحادية المادة. ^{[ 2 ]} لطالما كان مزيج الفورماميد مع ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO ) وبروبيلين جليكول ومادة غروانية ، لسنوات عديدة، الأكثر فعالية بين جميع المواد الواقية من التجمد المصنعة. وقد استُخدمت مخاليط المواد الواقية من التجمد في التزجيج (أي التصلب دون تكوين بلورات جليدية). للتزجيج تطبيقات مهمة في حفظ الأجنة والأنسجة والأعضاء البيولوجية لزراعتها . كما يُستخدم التزجيج في علم التجميد ، في محاولة للحد من أضرار التجميد.

عادي

المواد الواقية من التجمد التقليدية هي الجليكولات ( الكحولات التي تحتوي على مجموعتين هيدروكسيل على الأقل )، مثل الإيثيلين جليكول ، والبروبيلين جليكول ، والجليسرول . يُستخدم الإيثيلين جليكول عادةً كمضاد للتجمد في السيارات ، بينما يُستخدم البروبيلين جليكول للحد من تكوّن الجليد في المثلجات . يُعتبر ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) أيضًا مادة واقية من التجمد تقليدية. وقد استخدم علماء الأحياء التجميدية الجليسرول وDMSO لعقود للحد من تكوّن الجليد في الحيوانات المنوية ، ^[³^] والبويضات ، ^[⁴^] والأجنة المحفوظة بالتبريد في النيتروجين السائل . يُعدّ الحفظ بالتجميد للموارد الوراثية الحيوانية ممارسةً تستخدم المواد الواقية من التجمد التقليدية لتخزين المادة الوراثية بهدف إحيائها مستقبلًا. التريهالوز هو سكر غير مُختزل تُنتجه الخمائر والحشرات بكميات وفيرة. وقد تم تسجيل براءات اختراع استخدامه كمادة واقية من التجمد في الأنظمة التجارية على نطاق واسع.

أمثلة في الطبيعة

تستخدم أسماك القطب الشمالي البروتينات المضادة للتجمد ، والتي تُضاف إليها السكريات أحيانًا، كمواد واقية من التجمد.

الحشرات

تستخدم الحشرات في أغلب الأحيان السكريات أو البوليولات كمواد واقية من التجمد. ومن بين الأنواع التي تستخدم هذه المواد، دبور Polistes exclamans . وفي هذا النوع، يمكن استخدام المستويات المختلفة من المواد الواقية من التجمد للتمييز بين الأشكال المختلفة. ^{[ 5 ]}

البرمائيات

تنتج الضفادع القطبية المتأقلمة مع البرد ، مثل ضفادع الخشب ، وبعض الكائنات الخارجية الحرارة الأخرى في المناطق القطبية وشبه القطبية الجلوكوز بشكل طبيعي ، ^{[ 6 ]} لكن ضفادع الأشجار البنية الجنوبية والسلمندر القطبي تنتج الجلسرين في أكبادها لتقليل تكوين الجليد.

عندما تستخدم ضفادع القطب الشمالي الجلوكوز كمادة واقية من البرد، تُطلق كميات هائلة منه في درجات الحرارة المنخفضة، ويسمح نوع خاص من الأنسولين بدخول هذا الجلوكوز الزائد إلى الخلايا. وعندما تعود الضفدعة إلى درجة حرارة جسمها الطبيعية خلال فصل الربيع ، يجب التخلص من الجلوكوز الزائد بسرعة، مع الاحتفاظ به في الجسم.

حفظ الأغذية

تُستخدم المواد الحافظة للأطعمة أيضاً لحفظها. تتكون هذه المركبات عادةً من سكريات رخيصة الثمن ولا تُشكل أي خطر من حيث السمية. على سبيل المثال، تحتوي العديد من منتجات الدجاج المجمدة (النيئة) على محلول من السكروز وفوسفات الصوديوم في الماء.

شائع

انظر أيضاً

مراجع

↑ فاهي جي إم؛ ووك بي؛ باجوتان آر؛ تشانغ إيه؛ وآخرون (2009). "الجوانب الفيزيائية والبيولوجية لتزجيج الكلى" . تكوين الأعضاء . 5 (3): 167-175 . doi : 10.4161/org.5.3.9974 . PMC 2781097. PMID 20046680 .
↑ بيست، بي بي (2015). " سمية المواد الواقية من التجمد: حقائق وقضايا وتساؤلات" . بحوث التجديد . 18 (5): 422-436 . doi : 10.1089/rej.2014.1656 . PMC 4620521. PMID 25826677 .
↑ إمرات، ب.؛ سوثانمابينانث، ب.؛ سايكون، ك.؛ ماهاساوانغكول، س.؛ سوستاريك، إ.؛ سومبوتبوتورن، ب.؛ جانسيتيوات، س.؛ ثونغتيب، ن.؛ وآخرون . (فبراير 2013). "تأثير جودة السائل المنوي قبل التجميد، والمُمدد، والمادة الواقية من التجميد على جودة السائل المنوي للفيل الآسيوي (Elephas maximus indicus) بعد إذابته" (ملف PDF) . علم الأحياء التجميدي . 66 (1): 52-59 . doi : 10.1016/j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . PMID 23168056 .
↑ كارلسون، ينس أو إم؛ سوريك، إيديتا أ؛ هيغينز، آدم ز؛ لي، سانغ ر؛ إيروغلو، علي (فبراير 2014). "تحسين تحميل المواد الواقية من التجمد في بويضات الفئران والبشر" . علم الأحياء التجميدي . 68 (1): 18-28 . doi : 10.1016/j.cryobiol.2013.11.002 . PMC 4036103. PMID 24246951 .
^ جي إي ستراسمان. ري لي جونيور؛ آر آر روخاس وجي جي باوست (1984). “الاختلافات الطبقية والجنسية في الصلابة الباردة في الدبابير الاجتماعية، Polistes annularis وP. exclamans”. الحشرات الاجتماعية . 31 (3): 291-301 . دوى : 10.1007 / BF02223613 . S2CID 39394207 .
↑ لارسون، دي جيه؛ ميدل، إل؛ فو، إتش؛ تشانغ، دبليو؛ سيرياني، إيه إس؛ دومان، جيه؛ بارنز، بي إم (15 أبريل 2014). "تكيفات ضفادع الخشب مع فصل الشتاء في ألاسكا: حدود جديدة لتحمل التجمد" . مجلة علم الأحياء التجريبي . 217 (12): 2193-2200 . doi : 10.1242/jeb.101931 . PMID 24737762 .

7. أورماتسكيخ إيه في "طريقة الحفظ بالتبريد للخلايا والأعضاء والأنسجة والكائنات الحية." RU 2804972 C2، 04.05.2022.

[KidVit-1] فاهي جي إم؛ ووك بي؛ باجوتان آر؛ تشانغ إيه؛ وآخرون (2009). "الجوانب الفيزيائية والبيولوجية لتزجيج الكلى" . تكوين الأعضاء . 5 (3): 167-175 . doi : 10.4161/org.5.3.9974 . PMC 2781097. PMID 20046680 .

[pmid25826677-2] بيست، بي بي (2015). " سمية المواد الواقية من التجمد: حقائق وقضايا وتساؤلات" . بحوث التجديد . 18 (5): 422-436 . doi : 10.1089/rej.2014.1656 . PMC 4620521. PMID 25826677 .

[3] إمرات، ب.؛ سوثانمابينانث، ب.؛ سايكون، ك.؛ ماهاساوانغكول، س.؛ سوستاريك، إ.؛ سومبوتبوتورن، ب.؛ جانسيتيوات، س.؛ ثونغتيب، ن.؛ وآخرون . (فبراير 2013). "تأثير جودة السائل المنوي قبل التجميد، والمُمدد، والمادة الواقية من التجميد على جودة السائل المنوي للفيل الآسيوي (Elephas maximus indicus) بعد إذابته" (ملف PDF) . علم الأحياء التجميدي . 66 (1): 52-59 . doi : 10.1016/j.cryobiol.2012.11.003 . hdl : 2263/42468 . PMID 23168056 .

[4] كارلسون، ينس أو إم؛ سوريك، إيديتا أ؛ هيغينز، آدم ز؛ لي، سانغ ر؛ إيروغلو، علي (فبراير 2014). "تحسين تحميل المواد الواقية من التجمد في بويضات الفئران والبشر" . علم الأحياء التجميدي . 68 (1): 18-28 . doi : 10.1016/j.cryobiol.2013.11.002 . PMC 4036103. PMID 24246951 .

[Caste_and_Sex-5] جي إي ستراسمان. ري لي جونيور؛ آر آر روخاس وجي جي باوست (1984). “الاختلافات الطبقية والجنسية في الصلابة الباردة في الدبابير الاجتماعية، Polistes annularis وP. exclamans”. الحشرات الاجتماعية . 31 (3): 291-301 . دوى : 10.1007 / BF02223613 . S2CID 39394207 .

[6] لارسون، دي جيه؛ ميدل، إل؛ فو، إتش؛ تشانغ، دبليو؛ سيرياني، إيه إس؛ دومان، جيه؛ بارنز، بي إم (15 أبريل 2014). "تكيفات ضفادع الخشب مع فصل الشتاء في ألاسكا: حدود جديدة لتحمل التجمد" . مجلة علم الأحياء التجريبي . 217 (12): 2193-2200 . doi : 10.1242/jeb.101931 . PMID 24737762 .

[

[ 2 ]

[

[

[ 5 ]

[ 6 ]