细胞膜的破碎技术方法及应用

细胞膜的破碎技术方法及应用

作者：杨艳芳 赵懂懂

来源：《农村经济与科技》2017年第12期

[摘 要]许多生物分子都位于细胞内，当人们需要对其进行研究或应用时，就需要利用细胞破碎方法，将其释放出来。概述了细胞破碎常用方法，前沿技术及应用，展望了细胞破碎技术的发展方向。

[关键词]细胞破碎；常用方法；技术应用；展望 [中图分类号]R284 [文献标识码]A

随着生物科学领域的不断发展，生物工程技术发生了质的飞跃，具有很大应用价值的产品越来越多，但大多数基因工程产物是胞内物质，要想将其分离提取出来，需将细胞破壁，使产物得以释放，方可进一步提取。同时，很多生物分子也是存在于细胞内，因此细胞破碎是提取胞内产物及胞内生物分子的关键性步骤。目前，有很多常用细胞破碎的方法，但依旧需要探寻新的细胞破碎方法，使其具有不断的深入和完善。 1 常用的细胞破碎技术

一般而言，根据细胞破碎是否存在外在作用力，将其分为机械破碎和非机械破碎。机械破碎一般需使用专用设备，破碎时间短、效率高，破碎充分，破碎后内含物能得到完全释放，通用性强，成本低，可用于实验室和工业生产，主要有高压匀质破碎、高速珠磨破碎、压榨破碎、超声波破碎和反复冻融破碎等；非机械破碎较为温和，仅溶解局部壁、膜，细胞外形较为完整，只有部分内含物得到释放，需时长，效率低，成本高，通用性差，基本用于实验室，主要有化学渗透破碎和酶溶破碎，但常用方法依旧存在弊端。因此，细胞破碎方法需要进一步探索，例如多种破碎方法相结合、和生物工程上游技术结合、和生物工程下游技术结合。 2 细胞破碎科学技术方法

2.1 创新型设计细胞破碎自控与检测装置

创新型设计细胞破碎自控与检测装置是一种细胞破碎过程中实现自动化控制与检测的装置和方法，其结合了自动化与控制、物联网、软件开发与应用等技术。该系统主要包括控制系统、细胞破碎仪、细胞计数器、样品容器、冷水循环系统、温度探头等。在操作过程中，先通过触控屏向控制系统输入控制参数，如细胞破碎率、破碎功率、破碎间隔时长、样品温度上限冷水循环温度等；其次，将样品放入样品容器内，连接各个操作装置后，启动控制系统，进入自动化控制与检测进程；最后，数据处理及生成报告控制系统自动化控制与检测。

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本装置避免了传统细胞破碎工艺的操作复杂性、间断性、易误差性等提出的一种自动化控制与检测的装置，有效保证破碎过程的连续性、操作的规范性、破碎后保持提取物高活性的品质安全性等，使得细胞破碎过程更简单化、自动化、智能化、规范化及精准化，在一定程度上提升了实验的效率与准确性，具有很高的创新技术效益、经济与社会效益。 2.2 高压脉冲电场对小球藻破碎效果的影响

面临石油资源逐步减少，寻找新资源代替石油尤为重要，微藻中含有大量油脂，并具有生长迅速、占用土地资源少等优点。但目前以微藻作为原料，加工提取得到可生产生物柴油的油脂，需要经历采收、干燥、破碎、提取、转化等步骤，此繁杂的工艺将很大程度上提高成本。据此，清华大学自主研制的高压脉冲电源（THU-PEF4）系统，就小球藻的光合活性和叶绿素质量浓度这两个生物量，着重检测了高压脉冲电场强度、脉冲宽度、脉冲重复频率、电场极性及样品电导率对小球藻处理效果的影响。同时，利用双荧光染色法和流式细胞仪研究了高压脉冲电场对微藻细胞的穿孔破碎效果，以此检验关键影响因素。实验发现其主要因素是高压脉冲电场强度和脉冲注入能量密度，而脉冲宽度、脉冲重复频率、电场极性对小球藻的处理效果影响不大。实验结果证实在电场强度增加的同时，脉冲注入能量密度越高（样品电导率增加），细胞破碎率增加的趋势就越明显。通过高压脉冲电场对小球藻破碎效果的影响的探究确定其关键因素，优化工艺，提高了工作效率和准确率，具有一定的市场效益。 2.3 液氮冷冻和恒温水浴融化技术相结合破碎细胞

在液氮冷冻技术破碎细胞试验中，大多是采用反复冻融一溶酶体一超声破菌相结合来破大肠杆菌细胞壁，在此方法中存在易使部分蛋白变性、耗费时间长等弊端。在臧明丽液氮法破碎细菌细胞中利用液氮冷冻和恒温水浴融化技术相结合破碎细胞，采用液氮冷冻技术和30℃水浴取代反复冻融，并在融化过程中不断摇晃，避免管壁温度太高而使表面蛋白变性，继而提取胞内生物分子。此方法缩短了破碎细胞的时间，并且提高了细胞的破碎率。同时，在离心去除可溶性蛋白后用低浓度的变性剂洗涤包涵体，此步可去除大量杂质，提高了蛋白的纯化效率，且为后续蛋白的纯化减轻了很大的工作量。 3 展望

21世纪是生命科学的世纪。随着生命科学领域的探索，细胞破碎的应用将更加广泛，因此，其技术成果需要将释放率高、能耗低、方便后期提取等方面集聚一体。在未来技术使用中，可以将机械法和非机械法有机结合，利用其“互补”作用，大大提高破碎效率，也可将化学、物理、酶三种组合破碎等，充分提高其综合效益。同时，技术顺应时代变化，结合高新技术发展细胞破碎的方法及技术，就像自动化控制检测装置，从生物技术需求加自动化技术方面，提出设计理念设计自动化方法，达到高效益。 [参考文献]

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[1] 陈仲巍，林启凰，等.创新型设计细胞破碎自控与检测装置及其应用[J].基因组学与应用生物学，2016（12）.

[2] 张若兵.高压脉冲电场对小球藻破碎效果的影响[J].高电压技术，2016（08）.

[3] 王冬梅，董开忠，蔡勇，等.ApxⅢ包涵体蛋白纯化和变性条件的研究[J].西北民族大学学报，2012（03）.