إنتاج التخليق الحيوي لقليل السكاريد الحليب البشري
يعد التخليق الحيوي لقليل السكاريد في الحليب البشري (HMOs) عن طريق التخمير أو التفاعلات الأنزيمية عملية معقدة ومستهلكة وغالبا ما تكون منخفضة الغلة. الموجات فوق الصوتية يزيد من نقل الكتلة بين الركيزة ومصانع الخلايا الجواب يحفز نمو الخلايا والتمثيل الغذائي. وبالتالي ، فإن الصوتنة تكثف عمليات التخمير والكيمياء الحيوية مما يؤدي إلى إنتاج سريع وأكثر كفاءة لصناديق المرضى.
قليل السكاريد الحليب البشري
السكريات قليلة السكريات في حليب الأم (HMOs) ، والمعروفة أيضا باسم جليكان الحليب البشري ، هي جزيئات السكر ، وهي جزء من مجموعة السكريات قليلة السكاريد. تشمل الأمثلة البارزة لصناديق المرضى 2′- فوكوسيلاكتوز (2′-FL) ، لاكتو-N-neotetraose (LNnT) ، 3′- الجالاكتوزيل لاكتوز (3′-GL) ، وديفوكوزيل لاكتوز (DFL).
في حين أن حليب الثدي البشري يتكون من أكثر من 150 بنية HMO مختلفة ، يتم إنتاج 2′-fucosyllactose (2′-FL) و lacto-N-neotetraose (LNnT) حاليا على المستوى التجاري وتستخدم كمضافات غذائية في حليب الأطفال.
تشتهر السكريات قليلة السكريات بالحليب البشري (HMOs) بأهميتها في تغذية الأطفال. السكريات قليلة السكريات في حليب الأم هي نوع فريد من العناصر الغذائية ، والتي تعمل كبريبايوتكس ، ومضادات ميكروبات مضادة للالتصاق ، ومعدلات مناعية داخل أمعاء الرضيع وتساهم بشكل كبير في نمو الدماغ. تم العثور على HMOs حصريا في حليب الثدي البشري. لا تحتوي أنواع الثدييات الأخرى (مثل البقر والماعز والأغنام والإبل وما إلى ذلك) على هذا الشكل المحدد من السكريات قليلة السكاريد.
السكريات قليلة السكاريد في حليب الأم هي ثالث أكثر المكونات الصلبة وفرة في حليب الأم ، والتي يمكن أن تكون موجودة إما في شكل مذاب أو مستحلب أو معلق في الماء. اللاكتوز والأحماض الدهنية هي المواد الصلبة الأكثر وفرة الموجودة في حليب الأم. توجد HMO بتركيز 0.35-0.88 أوقية (9.9-24.9 جم)? لتر. ما يقرب من 200 قليل السكاريد حليب الإنسان مختلفة هيكليا معروفة. قليل السكاريد السائد في 80 ٪ من جميع النساء هو 2′- فوكوزيل لاكتوز ، الموجود في حليب الثدي البشري بتركيز حوالي 2.5 جم? لتر.
بما أن صناديق المرضى لا يتم هضمها ، فإنها لا تساهم من حيث السعرات الحرارية في التغذية. كونها كربوهيدرات غير قابلة للهضم ، فإنها تعمل كبريبايوتكس ويتم تخميرها بشكل انتقائي بواسطة البكتيريا المعوية المرغوبة ، وخاصة bifidobacteria.
- تعزيز نمو الرضع
- مهمة لنمو الدماغ
- لديه مضاد للالتهابات و
- تأثيرات مضادة للالتصاق في الجهاز الهضمي
- يدعم جهاز المناعة لدى البالغين
ال معالج بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT يزيد من نقل الكتلة وينشط مصانع الخلايا للحصول على غلات أعلى من الجزيئات البيولوجية المخلقة بيولوجيا مثل HMOs
التخليق الحيوي لقليل السكاريد الحليب البشري
مصانع الخلايا والأنظمة الأنزيمية? الكيميائية الأنزيمية هي التقنيات الحالية المستخدمة لتخليق صناديق المرضى. بالنسبة لإنتاج HMO على المستوى الصناعي ، فإن تخمير مصانع الخلايا الميكروبية ، والتخليق الكيميائي الحيوي ، والتفاعلات الأنزيمية المختلفة هي طرق مجدية للإنتاج الحيوي HMO. لأسباب اقتصادية، فإن التخليق الحيوي عبر مصانع الخلايا الميكروبية هو حاليا التقنية الوحيدة المستخدمة على مستوى الإنتاج الصناعي لصناديق المرضى.
تخمير صناديق المرضى باستخدام مصانع الخلايا الميكروبية
E.coli و Saccharomyces cerevisiae و Lactococcus lactis هي مصانع خلايا شائعة الاستخدام تستخدم للإنتاج الحيوي للجزيئات البيولوجية مثل HMOs. التخمير هو عملية كيميائية حيوية تستخدم الكائنات الحية الدقيقة لتحويل الركيزة إلى جزيئات بيولوجية مستهدفة. تستخدم مصانع الخلايا الميكروبية السكريات البسيطة كركيزة، والتي تحولها إلى صناديق المرضى. نظرا لأن السكريات البسيطة (مثل اللاكتوز) هي ركيزة وفيرة ورخيصة ، فإن هذا يحافظ على عملية التخليق الحيوي فعالة من حيث التكلفة.
يتأثر معدل النمو والتحويل الحيوي بشكل أساسي بالنقل الجماعي للمغذيات (الركيزة) إلى الكائنات الحية الدقيقة. معدل نقل الكتلة هو العامل الرئيسي الذي يؤثر على تخليق المنتج أثناء التخمير. الموجات فوق الصوتية معروفة جيدا لتعزيز النقل الشامل.
أثناء التخمير ، يجب مراقبة الظروف في المفاعل الحيوي وتنظيمها باستمرار بحيث يمكن للخلايا أن تنمو في أسرع وقت ممكن من أجل إنتاج الجزيئات الحيوية المستهدفة (مثل السكريات قليلة التعدد مثل HMO ؛ الأنسولين ؛ البروتينات المؤتلفة). من الناحية النظرية ، يبدأ تكوين المنتج بمجرد أن تبدأ ثقافة الخلية في النمو. ومع ذلك ، خاصة في الخلايا المعدلة وراثيا مثل الكائنات الحية الدقيقة المهندسة ، عادة ما يتم تحفيزها لاحقا عن طريق إضافة مادة كيميائية إلى الركيزة ، والتي تنظم التعبير عن الجزيء الحيوي المستهدف. يمكن التحكم بدقة في المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية (sono-bioreactor) والسماح بالتحفيز المحدد للميكروبات. وهذا يؤدي إلى تسارع التخليق الحيوي وزيادة الغلة.
التحلل والاستخراج بالموجات فوق الصوتية: قد يكون تخمير HMO المعقد محدودا بسبب عيار التخمير المنخفض والمنتجات المتبقية داخل الخلايا. يستخدم التحلل والاستخراج بالموجات فوق الصوتية لإطلاق المواد داخل الخلايا قبل عمليات التنقية والمصب.
تعزيز التخمير بالموجات فوق الصوتية
يمكن تسريع معدل نمو الميكروبات مثل الإشريكية القولونية والإشريكية القولونية المهندسة و Saccharomyces cerevisiae والمكورات اللبنية عن طريق زيادة معدل نقل الكتلة ونفاذية جدار الخلية من خلال تطبيق الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد الخاضعة للرقابة. كتقنية معالجة خفيفة وغير حرارية ، يطبق الموجات فوق الصوتية قوى ميكانيكية بحتة في مرق التخمير.
التجويف الصوتي: يعتمد مبدأ عمل الصوتنة على التجويف الصوتي. يقوم المسبار بالموجات فوق الصوتية (سونوترودي) بإقران الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد في الوسط. تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل مما يؤدي إلى تناوب الضغط العالي (ضغط)؟ دورات الضغط المنخفض (الاختطار). عن طريق ضغط السائل وتمديده في دورات متناوبة ، تنشأ فقاعات فراغ دقيقة. تنمو هذه الفقاعات المفرغة الصغيرة على مدى عدة دورات حتى تصل إلى حجم لا يمكنها فيه امتصاص أي طاقة أخرى. في هذه المرحلة من النمو الأقصى ، تنفجر الفقاعة الفراغية بعنف وتولد ظروفا قاسية محليا ، تعرف باسم ظاهرة التجويف. في التجويف “نقطة ساخنة”، يمكن ملاحظة فروق الضغط ودرجة الحرارة العالية وقوى القص المكثفة مع نفاثات سائلة تصل إلى 280 م / ثانية. من خلال هذه التأثيرات التجويف ، يتم تحقيق نقل شامل للكتلة و sonoporation (ثقب جدران الخلايا وأغشية الخلايا). يتم تعويم العناصر الغذائية للركيزة من وإلى الخلايا الكاملة الحية ، بحيث يتم تغذية مصانع الخلايا على النحو الأمثل وتسريع النمو وكذلك معدلات التحويل. المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية هي استراتيجية بسيطة ولكنها فعالة للغاية لمعالجة الكتلة الحيوية في عملية التخليق الحيوي في وعاء واحد.
من المعروف أن صوتنة خفيفة يتم التحكم فيها بدقة لتكثيف عمليات التخمير.
سونيكيشن يحسن “إنتاجية العديد من العمليات الحيوية التي تنطوي على خلايا حية من خلال تعزيز امتصاص الركيزة ، وتعزيز الإنتاج أو النمو عن طريق زيادة مسامية الخلية ، وربما تعزيز إطلاق مكونات الخلية.” (نافينا وآخرون 2015)
اقرأ المزيد عن التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية!
- زيادة العائد
- التخمير المتسارع
- التحفيز الخاص بالخلية
- تعزيز امتصاص الركيزة
- زيادة مسامية الخلايا
- سهل التشغيل
- آمن
- تركيب بسيط للرجعية
- التوسع الخطي
- معالجة الدفعات أو InIine
- عائد استثمار سريع
وجد Naveena et al. (2015) أن التكثيف بالموجات فوق الصوتية يوفر العديد من المزايا أثناء المعالجة الحيوية ، بما في ذلك تكاليف التشغيل المنخفضة مقارنة بخيارات العلاج المعززة الأخرى ، وبساطة التشغيل ومتطلبات الطاقة المتواضعة.
مفاعل مولتيسونو MSR-4 هو خالط مضمن صناعي مناسب للتخليق الحيوي المحسن لقليل السكاريد في الحليب البشري (HMO).
مفاعلات التخمير بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء
تتضمن عمليات التخمير الكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا أو الخميرة ، والتي تعمل كمصانع خلايا. في حين يتم تطبيق صوتنة لتعزيز نقل الكتلة وزيادة نمو الكائنات الحية الدقيقة ومعدل التحويل ، فمن الأهمية بمكان التحكم في شدة الموجات فوق الصوتية على وجه التحديد من أجل تجنب تدمير مصانع الخلايا.
Hielscher Ultrasonics متخصصة في تصميم وتصنيع وتوزيع الموجات فوق الصوتية عالية الأداء، والتي يمكن التحكم فيها بدقة ورصدها لضمان غلة التخمير متفوقة.
التحكم في العملية ليس ضروريا فقط لتحقيق عوائد عالية وجودة فائقة ، ولكنه يتيح تكرار النتائج وإعادة إنتاجها. خاصة عندما يتعلق الأمر بتحفيز مصانع الخلايا ، فإن التكيف الخاص بالخلية لمعلمات الصوتنة ضروري لتحقيق عوائد عالية ومنع تدهور الخلايا. ولذلك، تم تجهيز جميع النماذج الرقمية من الموجات فوق الصوتية Hielscher مع برنامج ذكي، والذي يسمح لك لضبط، رصد، ومراجعة المعلمات صوتنة. معلمات عملية الموجات فوق الصوتية مثل السعة ودرجة الحرارة والضغط ومدة الصوتنة ودورات العمل ومدخلات الطاقة ضرورية لتعزيز إنتاج HMO عن طريق التخمير.
البرنامج الذكي من الموجات فوق الصوتية Hielscher يسجل تلقائيا جميع المعلمات عملية هامة على بطاقة SD متكاملة. تسجيل البيانات التلقائي لعملية صوتنة هي الأساس لتوحيد العملية والتكرار? التكرار ، والتي هي مطلوبة لممارسات التصنيع الجيدة (GMP).
رؤساء بالموجات فوق الصوتية للتخمير
Hielscher يقدم تحقيقات بالموجات فوق الصوتية من مختلف الأحجام, طول والهندسة, والتي يمكن استخدامها لدفعة وكذلك تدفق مستمر من خلال العلاجات. تتوفر المفاعلات بالموجات فوق الصوتية ، والمعروفة أيضا باسم المفاعلات الحيوية سونو ، لأي حجم يغطي المعالجة الحيوية بالموجات فوق الصوتية من عينات المختبر الصغيرة إلى مستوى الإنتاج التجريبي والتجاري بالكامل.
من المعروف أن موقع sonotrode بالموجات فوق الصوتية في وعاء التفاعل يؤثر على توزيع التجويف والتدفق الدقيق داخل الوسط. يجب اختيار Sonotrode ومفاعل الموجات فوق الصوتية وفقا لحجم معالجة مرق الخلية. في حين يمكن إجراء صوتنة في دفعة وكذلك في الوضع المستمر ، بالنسبة لأحجام الإنتاج العالية ، يوصى باستخدام تثبيت التدفق المستمر. يمر عبر خلية تدفق بالموجات فوق الصوتية ، كل وسط الخلية يحصل بالضبط نفس التعرض لصوتنة ضمان العلاج الأكثر فعالية. Hielscher الفوق صوتيات مجموعة واسعة من تحقيقات الموجات فوق الصوتية ومفاعلات تدفق الخلايا يسمح لتجميع الإعداد المعالجة الحيوية بالموجات فوق الصوتية مثالية.
Hielscher Ultrasonics – من المختبر إلى الطيار إلى الإنتاج
Hielscher الفوق صوتيات يغطي مجموعة كاملة من معدات الموجات فوق الصوتية التي تقدم المجانسات بالموجات فوق الصوتية المدمجة المحمولة باليد لإعداد العينات إلى مقاعد البدلاء والأنظمة التجريبية وكذلك وحدات الموجات فوق الصوتية الصناعية القوية التي تعالج بسهولة حمولات الشاحنات في الساعة. كونها متعددة الاستخدامات ومرنة في خيارات التثبيت والتركيب، Hielscher الموجات فوق الصوتية يمكن دمجها بسهولة في جميع أنواع مفاعلات دفعة، دفعات تغذية أو إعدادات التدفق المستمر.
تسمح الملحقات المختلفة وكذلك الأجزاء المخصصة بالتكيف المثالي لإعداد الموجات فوق الصوتية مع متطلبات العملية الخاصة بك.
بنيت لعملية 24/7 تحت الحمل الكامل والثقيلة في ظروف صعبة، Hielscher المعالجات بالموجات فوق الصوتية هي موثوق بها وتتطلب صيانة منخفضة فقط.
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل? دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل? دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر? دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر? دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر? دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا!? اسألنا!
الأدب? المراجع
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
حقائق تستحق المعرفة
التخليق الحيوي باستخدام مصانع الخلايا
مصنع الخلايا الميكروبية هو طريقة للهندسة الحيوية ، والتي تستخدم الخلايا الميكروبية كمنشأة إنتاج. من خلال الهندسة الوراثية للميكروبات ، يتم تعديل الحمض النووي للكائنات الحية الدقيقة مثل البكتيريا أو الخمائر أو الفطريات أو خلايا الثدييات أو الطحالب لتحويل الميكروبات إلى مصانع خلوية. تستخدم مصانع الخلايا لتحويل الركائز إلى جزيئات بيولوجية قيمة ، والتي تستخدم على سبيل المثال في إنتاج الأغذية والأدوية والكيمياء والوقود. تهدف الاستراتيجيات المختلفة للتخليق الحيوي القائم على مصنع الخلايا إلى إنتاج المستقلبات الأصلية ، أو التعبير عن مسارات التخليق الحيوي غير المتجانسة ، أو التعبير البروتيني.
يمكن استخدام مصانع الخلايا إما لتخليق المستقلبات الأصلية ، أو للتعبير عن مسارات التخليق الحيوي غير المتجانسة ، أو للتعبير عن البروتينات.
التخليق الحيوي للمستقلبات الأصلية
تعرف المستقلبات الأصلية بأنها جزيئات بيولوجية تنتجها الخلايا المستخدمة كمصنع للخلايا بشكل طبيعي. تنتج مصانع الخلايا هذه الجزيئات البيولوجية إما داخل الخلايا أو مادة مفرزة. هذا الأخير مفضل لأنه يسهل فصل وتنقية المركبات المستهدفة. أمثلة على المستقلبات الأصلية هي الأحماض الأمينية والنووية والمضادات الحيوية والفيتامينات والإنزيمات والمركبات النشطة بيولوجيا والبروتينات المنتجة من مسارات الابتنائية للخلية.
مسارات التخليق الحيوي غير المتجانسة
عند محاولة إنتاج مركب مثير للاهتمام ، فإن أحد أهم القرارات هو اختيار الإنتاج في المضيف الأصلي ، وتحسين هذا المضيف ، أو نقل المسار إلى مضيف آخر معروف. إذا كان من الممكن تكييف المضيف الأصلي مع عملية التخمير الصناعي ، ولا توجد مخاطر متعلقة بالصحة في القيام بذلك (على سبيل المثال ، إنتاج منتجات ثانوية سامة) ، يمكن أن تكون هذه استراتيجية مفضلة (كما كان الحال على سبيل المثال ، بالنسبة للبنسلين). ومع ذلك ، في العديد من الحالات الحديثة ، فإن إمكانية استخدام مصنع الخلايا المفضل صناعيا وعمليات النظام الأساسي ذات الصلة تفوق صعوبة نقل المسار.
تعبير البروتين
يمكن تحقيق التعبير عن البروتينات بطرق متجانسة وغير متجانسة. في التعبير المتماثل ، يتم التعبير عن الجين الموجود بشكل طبيعي في الكائن الحي بشكل مفرط. من خلال هذا التعبير الزائد ، يمكن إنتاج عائد أعلى من جزيء بيولوجي معين. للتعبير غير المتجانس ، يتم نقل جين معين إلى خلية مضيفة حيث أن الجين غير موجود بشكل طبيعي. باستخدام هندسة الخلايا وتقنية الحمض النووي المؤتلف ، يتم إدخال الجين في الحمض النووي للمضيف بحيث تنتج الخلية المضيفة كميات (كبيرة) من البروتين الذي لن تنتجه بشكل طبيعي. يتم التعبير عن البروتين في مجموعة متنوعة من العوائل من البكتيريا ، على سبيل المثال الإشريكية القولونية والعصيات الرقيقة ، والخمائر ، على سبيل المثال ، Klyuveromyces lactis ، Pichia pastoris ، S. cerevisiae ، الفطريات الخيطية ، على سبيل المثال A. niger ، والخلايا المشتقة من الكائنات متعددة الخلايا مثل الثدييات والحشرات. البروتينات البريئة ذات أهمية تجارية كبيرة ، بما في ذلك الإنزيمات السائبة والمستحضرات الصيدلانية الحيوية المعقدة والتشخيص والكواشف البحثية. (راجع A.M. Davy et al. 2017)