کلینواستت

كلينواستت (clinostat) دستگاهي است که با استفاده از چرخش، اثرات کششي جاذبه را بر روي رشد (gravitropism) و توسعة جانداران (gravimorphism) ساكن زمين خنثي مي‌کند. همچنين از اين وسيله براي مطالعة اثرات بي‌وزني بر بافت سلول‌ها و جنين حيوانات استفاده مي‌شود.

تاريخچه دستگاه كلينواستت توسط جوليوس وان ساچ (Julius von Sachs) در سال 1879 اختراع شد (شكل 1)؛ گرچه ايدة ساخت چنين دستگاهي پيش از اين در سال 1703 توسط دنيس دودارت مطرح شده بود. اين دستگاه به صورت مکانيکي کار مي‌كرد. اولين دستگاه كلينواستت الکتريکي نيز در سال 1897 توسط نيوکمب (Newcombe) ساخته شد.
		شکل 1. اولين دستگاه كلينواستت تك‌محوره

ساختار

محور افقي كلينواستت شامل ديسکي است که به يک موتور متصل است. در گذشته اين ديسك به صورت مکانيکي کار مي‌کرد ولي امروزه براي چرخش آن از موتورهاي الکتريکي استفاده مي‌شود. در حالي كه ديسک در وضعيت قائم قرار دارد، موتور به‌آرامي با سرعت يک دور بر دقيقه مي‌گردد. يک موجود زنده به صورت افقي به اين ديسک دوار متصل است. چرخش آرام ديسک منجر مي‌شود که موجود زنده کشش جاذبه را درك نکند؛ به اين ترتيب، محيطي بي‌وزن شبيه‌سازي مي‌شود. همچنين، اين دستگاه قادر است علاوه بر جاذبه، اثرات نور خورشيد و ديگر محيط‌ها را نيز خنثي کند. براي شبيه‌سازي اين نوع شرايط بي‌وزني، دستگاه كلينواستت بايد كاملاً افقي باشد. در صورتي که اين دستگاه با افق زاويه‌اي بسازد، بردار جاذبة خالصي که مقدار آن متناسب با اين زاويه است توليد مي‌شود. به كمك همين ويژگي است كه اين دستگاه مي‌تواند جاذبة سطح ماه را ـ كه تقريباً يك‌ششم سطح زمين است ـ با 10 درجه زاويه نسبت به افق ايجاد کند.
موجودات زنده نسبت به جاذبه واکنش نشان مي‌دهند مشروط به اينكه در يك بازة زماني معين که به‌اصطلاح »حداقل زمان حضور« گفته مي‌شود و براي موجودات مختلف متفاوت است، تحت نيروي جاذبه قرار گيرند. براي بسياري از موجودات زنده اين زمان حدود 10 تا 200 ثانيه است؛ بنابراين، دستگاه لازم است در مقياس زمانيِ متناسب با وضعيت جاندار بچرخد تا از پاسخ رشد جاندار ممانعت به عمل آيد. شايان ذکر است که زمان حضور انباشتگي دارد، يعني اگر چرخش دستگاه كلينواستت به دفعات در يک مکان منفرد حتي به ازاي کسري از ثانيه ـ مثلاً 0/5 ثانيه ـ متوقف شود، منجر به پاسخ رشد جاندار مي‌شود. زمان حضور براي حيوانات دو تا سه برابر كوتاه‌تر است که بنابراين منجر به استفاده از چرخش آهستة اين دستگاه بر روي بيشتر حيوانات مي‌شود. از چرخش سريع‌تر دستگاه كلينواستت مي‌توان براي مطالعة بافت‌هاي سلولي و جنين حيوانات استفاده کرد.
انواع و کاربردها

سرعت چرخش در نوع متداول دستگاه كلينواستت آهسته بوده و به آن »كلينواستت چرخش آهسته« مي‌گويند؛ اين عملکرد براي جلوگيري از اثرات نيروي جانب مرکز است. سرعت مناسب چرخش بحث‌برانگيز است چراکه اگر دستگاه بيش از حد آهسته بگردد، جاندار براي پاسخ فيزيولوژيک به جاذبه فرصت خواهد داشت؛ و در صورتي که دستگاه خيلي سريع بچرخد، نيروهاي جانب مرکز و کشش مکانيکي مصنوعي وارد عمل مي‌شوند. سرعت چرخش بهينه از طريق مقايسة پاسخ‌هاي واقعي موجودات زنده به بي‌وزني در فضا به دست مي‌آيد که اين زمان چيزي در حدود 0/3 تا 3 دور بر دقيقه براي اکثر موجودات زنده است. نمونة ساده و يک‌بعدي دستگاه كلينواستت مجهز به اتاقک ميدان مغناطيسي در شکل 2 نمايش داده شده است؛ اين دستگاه اولين بار براي آزمايش‌هاي شاتل STS-107 به كار گرفته شد.
		شکل 2. كلينواستت يك‌بعدي با اتاقك ميدان مغناطيسي

در نمونة ديگري از دستگاه كلينواستت يک‌بعدي (شکل 3) چرخش به كمك تسمه صورت مي‌گيرد و در اين مدل امكان چرخش هم‌زمان چندين نمونه وجود دارد. اين دستگاه قادر است نمونه‌هاي مختلفي را با سرعت چرخشي يک دور بر دقيقه حول محوري افقي يا عمودي (در صورتي که دستگاه مايل باشد) بگرداند. اگر شتاب گرانش اجسام بيشتر از مقدار شتاب آن بر روي زمين باشد، به شبيه‌سازي نيروي جانب مرکز نياز است و در اين شرايط دستگاه كلينواستت تبديل به يک دستگاه سانتريفوژ مي‌شود. مقدار اين نيرو به سرعت زاويه‌اي و شعاع دستگاه بستگي دارد. دستگاه كلينواستت »چرخش سريع« تنها براي نمونه‌هاي کوچک ـ مانند بافت‌هاي سلولي که معمولاً در داخل محيط مايع هستند ـ مناسب است. سرعت چرخش نمونه‌ها كه در داخل آمپول‌هايي با قطر چند ميلي‌متر قرار گرفته‌اند حدود 30 تا 150 دور بر دقيقه است.
		شکل 3. كلينواستت يک‌بعدي با امكان چرخش هم‌زمان چند نمونه

كلينواستت تک‌محوري تنها براي توليد اثرات بي‌وزني بر روي محور چرخش مناسب است. يک كلينواستت سه‌بعدي يا دومحوري که اصطلاحاً دستگاه موقعيت‌يابي تصادفي (RPM) ناميده مي‌شود، مي‌تواند کشش جاذبه را روي تمام محورها اعمال كند (شكل 4). اين دستگاه‌ معمولاً متشكل از دو صفحه است که يکي در داخل ديگري جاسازي شده است و مي‌توانند مستقل از يكديگر بچرخند.
		شکل 4. دستگاه موقعيت‌يابي تصادفي (RPM)

نمونة كامل‌تر دستگاه كلينواستت كه براي شبيه‌سازي بي‌وزني استفاده مي‌شود دستگاه سقوط آزاد (FFM) نام دارد. در اين دستگاه، نمونه‌هاي کوچک مانند مخلوط‌هاي معلق سلولي، تحت جاذبه از ارتفاع حدود يک متري سقوط آزاد مي‌کنند و اين سقوط در کسري از ثانيه اتفاق مي‌افتد. سپس با استفاده از نيرويي در حدود 20 برابر شتاب جاذبه طي مدت 20 ميلي‌ثانيه به بخش بالايي دستگاه منتقل مي‌شوند، و دوباره براي سقوط آزاد رها مي‌شوند و اين عمل به دفعات تکرار مي‌شود. قانون فيزيكي حاكم بر اين دستگاه اين است که بيشتر اين زمان سقوط آزاد در شتاب صفر به وقوع مي‌پيوندد. فرض مي‌شود مدت زماني که طي آن انتقال تحت نيروي بزرگ‌تر از شتاب جاذبه رخ مي‌دهد، آنقدر کوچک است که توسط مکانيسم‌هاي فيزيولوژيک درک نمي‌شود و از اين‌رو، کل اين زمان را مي‌توان سقوط آزاد فرض کرد.
		شکل 5. كلينواستت سه‌بعدي

شکل 5 كلينواستتي سه‌بعدي را نشان مي‌دهد که در حقيقت نمونة کامل حذف اثر جاذبه است. در اين نمونه ـ که حول يک سيستم تعليق کارتزيني ساخته مي‌شود ـ هر سه محور چرخش به طور مستقل و کامل بردار جاذبة تصادفي را ايجاد مي‌کنند و قادرند بهترين شبيه‌سازي از بي‌وزني را براي آزمايش‌هاي زميني فراهم کنند.
شايان ذکر است پروژه‌اي در اين راستا با عنوان »ساخت دستگاه بايوراكتور كلينواستت« در پژوهشگاه هوافضا انجام گرفته است که در ادامه به معرفي اجمالي اين پروژه مي‌پردازيم.

ساخت دستگاه بايوراكتور كلينواستت پژوهشگاه هوافضا

يكي از روش‌هاي ايجاد مسير تصادفي حركت جسم براي شبيه‌سازي شرايط كم‌وزني، دوران آن حول دو محور عمود بر هم است كه مقدار سرعت زاويه‌اي دوران حول هر محور به صورت تصادفي تغيير مي‌كند. تغيير تصادفي مقدار سرعت زاويه‌اي هر محور، از ايجاد مسير حركت متناوب جلوگيري مي‌كند. از طرف ديگر، شتاب شعاعي در هر ذره از جسم بر اثر حركت بر روي سطح كره ايجاد مي‌شود كه مقدار آن متناسب با فاصله از مركز دوران و مجذور سرعت زاويه‌اي دوران است. پس در ذراتي كه از مركز دوران فاصله دارند نيرويي مجازي ناشي از اين شتاب ايجاد مي‌شود كه از ديدگاه هر ذره، جهت آن ثابت و در امتداد شعاع كره است. بنابراين با تغيير پيوستة راستاي حركت ذرات جسم در سطح كره مي‌توان رفتار آن را تحت اثر شتاب‌هاي جاذبة مختلف بررسي كرد.
دستگاه بايوراكتور كلينواستت پيشنهادي، مسير حركت تصادفي را براي شبيه‌سازي شرايط كم‌وزني در هر ذره از نمونة آزمايشگاهي ايجاد مي‌كند. در اين دستگاه ذرات جسم مورد نظر حول دو محور عمود بر هم با سرعت زوايه‌اي متغير دوران مي‌كنند و مقدار سرعت زاويه‌اي هر محور به صورت تصادفي تغيير داده مي‌شود. اگرچه حركت جسم در سيستم موقعيت‌دهي تصادفي، موجب تغيير پيوستة راستاي حركت نمونه نسبت به بردار جاذبه مي‌شود، تغيير راستاي نمونه، موجب ايجاد شتاب و نيروي مجازي در نمونه مي‌گردد كه محاسبة انتگرال آنها در مدت زمان انجام آزمايش اهميت دارد. براي اطمينان از ايجاد شرايط بي‌وزني نياز است علاوه بر تغيير پيوستة مسير حركت، مقدار انتگرال نيروي اعمالي بر هر ذره، صفر يا مقدار بسيار ناچيزي باشد؛ براي ايجاد شرايط كم‌وزني نيز بايد مقدار و راستاي نيروي اعمالي به هر ذره از جسم، در حين حركت از ديدگاه هر ذره ثابت باشد. براي بررسي اثر تغييرات سرعت دوران موتورهاي الكتريكي محرك سيستم به منظور ايجاد شرايط كم‌وزني، نياز به مدلي سينماتيكي براي حركت يك ذره در اين سيستم است كه با استفاده از اين مدل مي‌توان راستاي بردار جاذبه را از ديدگاه هر ذره از جسم، و بردار شتاب هر ذره از جسم را در هر لحظه تعيين كرد و با محاسبة انتگرال آن در بازة زماني معين، مطابقت شرايط ايجادشده در جسم را با شرايط كم‌وزني بررسي كرد.

اين دستگاه به صورت روميزي پيشنهاد شد كه حداكثر ابعاد نمونة آزمايشگاهي، مكعبي به ابعاد 30´30´30 سانتي‌متر خواهد بود. به منظور تغيير پيوستة راستاي نمونه نسبت به بردار جاذبه، نمونة آزمايشگاهي به قابي نصب مي‌شود كه حول يك محور توسط موتور الكتريكي دوران مي‌كند و محور اين قاب بر روي قاب ديگري نصب شده است كه توسط موتور الكتريكي ديگري دوران داده مي‌شود. به منظور دوران در دو قاب و تنظيم مستقل مقدار دوران هريك از آنها مطابق با الگوريتم كنترل حركت، از دو سيستم محرك مجزا استفاده مي‌شود. گشتاور محرك موتور الكتريكي با استفاده از جريان برق مستقيم تأمين شده و براي كاهش دور و افزايش گشتاور خروجي موتور، جعبه دندة كاهندة دور در نظر گرفته مي‌شود. براي اندازه‌گيري مقدار دوران هر قاب نيز انكودر دوراني براي هر سيستم محرك پيش‌بيني مي‌شود. براي افزايش قابليت اطمينان طرح، تمامي اجزاي سيستم محرك از يك توليدكننده خريداري مي‌شود تا علاوه بر مطابقت اجزاي مختلف با يكديگر و حذف قطعات رابط بين اجزاي سيستم محرك، تعمير و نگهداري مجموعه تسهيل شود.

شکل 6 شماتیکی از نحوة عملکرد و ارتباط دستگاه رومیزی پیشنهادی را با سایر تجهیزات مورد نیاز نشان میدهد.

كاربرد بايوراكتور كلينواستت در زيست‌فناوري

از مهم‌ترين كاربردهاي دستگاه‌ كلينواستت در زيست‌فناوري مي‌توان به تغيير آرايش پروتئين‌ها در سلول‌ها و دانه‌هاي توليدشده در گياهان پرورش ‌داده ‌شده در شرايط كم‌وزني، تغيير بيان ژن‌ها در تك‌ياخته‌ها، سلول‌هاي گياهي و جانوري، تغيير الگوهاي رشد و تكثير جانداران، و دگرگوني اثر عوامل ايجادكنندة جهش ژني (مانند تشعشع) براي ايجاد گونه‌هايي با جهش‌هاي مفيد اشاره كرد. بنابراين، كاربرد اين دستگاه در زيست‌فناوري موارد زير را شامل مي‌شود:
تغيير ساختار ماكرومولكول‌ها بدون تغيير محتواي ژنتيكي، مانند تغيير آرايش ساختار پروتئين‌ها در دانه‌هاي گياهان
تغيير محتواي ژنتيكي يا نحوة بروز صفات توارث‌يافته، مانند تغيير تأثير عوامل جهش‌زا و همچنين تغيير بيان ژن‌ها
ايجاد يك محيط كاملاً بستة قابل پايش (monitoring) و كنترل كه اين ويژگي به‌خصوص در زمينة باغباني فضايي بسيار حائز اهميت است، زيرا وجود حسگرهاي ويژه در اين محيط‌ها و ايجاد شرايط شبيه‌سازي‌شدة فضا اين امكان را براي محققان فراهم مي‌كند تا تأثير عوامل مختلف بر رشد، تكثير و دانه‌سازي را به نحو جداگانه يا گروهي تجزيه و تحليل كنند.
افزايش تكثير سلول‌هاي بنيادي و تسهيل تمايز آنها به بافت‌هاي مورد استفاده در پيوندهاي بافتي
به طوركلي بايد در نظر داشت كه امروزه زيست‌فناوري اساس و پاية رويكردها و تحقيقات صورت‌گرفته در زمينة توليد و ذخيره‌سازي غذا و انرژي در سفرهاي فضايي است و دستگاه كلينواستت، شرايط لازم براي انجام اين تحقيقات را فراهم مي‌كند.