علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

مروری بر شبیه‌سازی میکروگراویتی با شناوری مغناطیسی در تحقیقات گیاهی: طراحی آزمایش و پاسخ‌های سلولی

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسنده
دانشیار، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم تحقیقات و فناوری، تهران، ایران،
چکیده
مطالعه اثر میکروگراویتی روی نمونه های زیستی، نیاز به انجام آزمایشات زیستی با استفاده از تسهیلات پروازی نظیر راکت های کاوشی، ماهوارهای زیستی و ایستگاه بین المللی فضایی دارد، اما آزمایشات زیستی در فضا پرهزینه و نادر بوده و نیاز به تکنیک‌های شبیه‌سازی روی زمین دارد. بنابراین از تسهیلات زمینی نظیر کلینواستت دوبعدی، ماشین چرخش تصادفی و شناوری مغناطیسی برای شبیه‌سازی میکروگراویتی استفاده می‌نمایند. نمونه زیستی تحت میدان مغناطیسی با گرادیان بالا بصورت معلق قرار گرفته و میکروگراویتی شبیه‌سازی اعمال می شود. با استفاده از این روش می‌توان محیط‌هایی با سطح جاذبه پائین و یا بالا ایجاد نمود و تاثیر میدان مغناطیسی و میکروگراویتی را روی نمونه‌های زیستی بررسی نمود. این تکنیک دارای مزایای بسیاری در مقایسه با روش‌های دیگر برای دستیابی به میکروگراویتی است که از جمله آن زمان نامحدود آزمایش و دستیابی سریع به میکروگراویتی است. همچنین با تغییر شدت میدان، امکان شبیه‌سازی جاذبه در سطح ماه یا مریخ فراهم می شود. در این پژوهش، انواع مختلف شناوری مغناطیس با استفاده از میدان الکترومغناطیس و آهن ربا و چالش های طراحی آزمایشات زیستی بررسی خواهد شد. همچنین به بررسی پاسخ های ژنی و پروتئومیکی تحت شناوری مغناطیسی و مکانیسم رشد سلولی از طریق فازهای مختلف چرخه سلولی پرداخته خواهد شد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] M. Babbick, C. Dijkstra, O.J. Larkin, P. Anthony, M.R. Davey, J. B. Power, K. C. Lowe, M. Cogoli-Greuter, R. Hampp, “Expression of transcription factors after short-term exposure of Arabidopsis thaliana cell cultures to hypergravity and simulated microgravity (2-D/3-D clinorotation, magnetic levitation),” Adv Space Res, 2007, vol. 39, pp. 1182-1189, 2007.
[2] R. Herranz, R. Anken, J. Boonstra, M. Braun, P.C.M. Christianen, M.D. Geest, J. Hauslage, R. Hilbig, R.J.A. Hill, M. Lebert, F.J. Medina, "Ground-based facilities for simulation of microgravity, including terminology and organism-specific recommendations for their use." Astrobiology, vol. 13, no. 1, pp. 1-17, 2013. 
[3] A. Mittelholz, C.L. Johnson, “The martian crustal magnetic field,” Frontiers in Astronomy and Space Sciences, vol. 9, pp. 895362, 2022.
[4] R. Weissleder, A. Moore, U. Mahmood, R. Bhorade, H. Benveniste, E.A. Chiocca, J.P. Basilion, “In vivo magnetic resonance imaging of transgene expression,” Nat Med, vol. 6, pp. 351–5, 2000.
[5] P.M. Glover, I. Cavin, W. Qian, R. Bowtell, P.A. Gowland, “Magnetic-field-induced vertigo: a theoretical and experimental investigation,” Bioelectromagnetics, vol. 28, pp. 349–61, 2007.
[6] R. Herranz, O.J. Larkin, C.E. Dijkstra, R.J. Hill, P. Anthony, M.R. Davey, L. Eaves, J.J.W.A. van Loon, F.J. Medina, R. Marco, “Microgravity simulation by diamagnetic levitation: effects of a strong gradient magnetic field on the transcriptional profile of Drosophila melanogaster,” BMC Genomics, vol. 13, pp. 52, 2012.
[7] A.L. Manzano, J.J. van Loon, P.C. Christianen, J.M. Gonzalez-Rubio, F.J. Medina, R. Herranz, “Gravitational and magnetic field variations synergize to cause subtle variations in the global transcriptional state of Arabidopsis in vitro callus cultures,” BMC genomics, vol. 13, pp.1-3, 2012. 
[8] A.B. Subramaniam, D. Yang, H.D. Yu, A. Nemiroski, S. Tricard, A.K. Ellerbee, S. Soh, G.M. Whitesides, “Noncontact orientation of objects in three-dimensional space using magnetic levitation,” Proc Natl Acad Sci U S A, vol. 111 no. 36, pp. 12980-5, 2014.
[9] W. Zhao, T. Zhu, R. Cheng, Y.  Liu, J. He, H. Qiu, H, L. Wang, T. Nagy, T.D. Querec, E.R. Unger, L. Mao, “Label-Free and Continuous-Flow Ferrohydrodynamic Separation of HeLa Cells and Blood Cells in Biocompatible Ferrofluids,” Adv Funct Mater, vol. 26, no. 22, pp. 3990-3998, 2016.
[10] J.M. Valles, H.J. Maris, G.M. Seidel, J. Tang, W. Yao, “Magnetic levitation-based martian and lunar gravity simulator,” Adv Space Res, vol. 36, pp. 114–118, 2005.
[11] M. Martzivanou, R. Hampp, "Hyper‐gravity effects on the Arabidopsis transcriptome," Physiologia Plantarum vol. 118, no. 2, 2003, pp. 221-231.
[12] R. Herranz, M.A. Valbuena, A. Manzano, Y.K. Kamal, F.J. Medina, “Use of microgravity simulators for plant biological studies,” Plant Gravitropism: Methods and Protocols, pp. 239-254, Springer, 2015.
[13] A.I. Manzano, O.J. Larkin, C.E. Dijkstra, P. Anthony, M.R. Davey, L. Eaves, Hill, R.J. R. Herranz, F.J. Medina, “Meristematic cell proliferation and ribosome biogenesis are decoupled in diamagnetically levitated Arabidopsis seedlings,” BMC plant biology, vol. 13, pp. 1-15, 2013.
[14] J.G. Kiss, G.I. Garab, Z.M. Tóth, A. Faludi-Dániel, “The light-harvesting chlorophyll a/b protein acts as a torque aligning chloroplasts in a magnetic field,” Photosynth Res, vol. 10, pp. 217-222, 1986.
[15] J.T. Caleffi, M.C. Aal, H.D. Gallindo, G.H. Caxali, B.P. Crulhas, A.O. Ribeiro, G.R. Souza, F.K. Delella, “Magnetic 3D cell culture: State of the art and current advances”. Life Sciences, vol. 286, pp. 120028, 2021.
[16] U. Tepe, B. Aslanbay Guler, E. Imamoglu, “Applications and sensory utilizations of magnetic levitation in 3D cell culture for tissue Engineering,” Molecular Biology Reports, vol. 50(8), pp. 7017-25, 2023.
[17] M.A. Abakumov, A.S. Semkina, A.S. Skorikov, D.A. Vishnevskiy, A.V. Ivanova, E. Mironova, G.A.  Davydova, A.G. Majouga, V.P. Chekhonin, “Toxicity of iron oxide nanoparticles: Size and coating effects,” Journal of biochemical and molecular toxicology, vol. 32(12), pp. e22225, 2018.
[18] H. Hassanpour, Establishment of Physalis alkekengi cell suspension culture: time-dependent behavior of genes related to the steroidal compounds, key enzymes, and physalins under static magnetic field. Protoplasma, pp. 1-14, 2024.
[19] M. Martzivanou, M. Babbick, M. Cogoli-Greuter, R. Hampp, “Microgravity-related changes in gene expression after short-term exposure of Arabidopsis thaliana cell cultures,” Protoplasma , vol. 229, pp. 155-162, 2016.
[20] F. Darigh, A. Iranbakhsh, Z.O. Ardebili, M. Ebadi, H. Hassanpour, “Simulated microgravity contributed to modification of callogenesis performance and secondary metabolite production in Cannabis Indica,” Plant Physiology and Biochemistry, vol. 186, pp. 157-68, 2022. 
[21] K.Y. Kamal, R. Herranz, J.J. van Loon, P.C. Christianen, F.J. Medina, “Evaluation of simulated microgravity environments induced by diamagnetic levitation of plant cell suspension cultures,” Microgravity Science and Technology, vol.28, pp. 309-17, 2016.
[22] N.S. Lewis, E.E Lewis, M. Mullin, H. Wheadon, M.J. Dalby, C.C. Berry, “Magnetically levitated mesenchymal stem cell spheroids cultured with a collagen gel maintain phenotype and quiescence,” Journal of tissue engineering, vol. 8, PMID. 28616152, 2017.
[23] H. Hassanpour, V. Niknam, “Establishment and assessment of cell suspension cultures of Matricaria chamomilla as a possible source of apigenin under static magnetic field,” Plant Cell, Tissue and Organ Culture (PCTOC), vol. 142, pp. 583-93, 2020.
[24] T. Nyström, “Stationary-phase physiology,” Annu Rev Microbiol., vol. 58, no. 1, pp. 161-181, 2004. 
دوره 4، شماره 2
اسفند 1403
صفحه 127-134

  • تاریخ دریافت 20 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 02 آبان 1403
  • تاریخ پذیرش 18 دی 1403