إنتاج السكريات قليلة التعدد في حليب الأم بالتخليق الحيوي

يُعد التخليق الحيوي للسكريات قليلة التعدد في حليب الأم (HMOs) عن طريق التخمير أو التفاعلات الإنزيمية عملية معقدة ومستهلكة للموارد، وغالبًا ما تكون منخفضة المردود. تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة بين الركيزة والمصانع الخلوية، وتحفّز نمو الخلايا وأيضها. وبذلك، تكثّف المعالجة بالموجات فوق الصوتية عمليات التخمير والعمليات الكيميائية الحيوية، مما يؤدي إلى إنتاج HMOs بصورة أسرع وأكثر كفاءة.

السكريات قليلة التعدد في حليب الأم

السكريات قليلة التعدد في حليب الأم (HMOs)، والمعروفة أيضًا باسم غليكانات حليب الأم، هي جزيئات سكرية تنتمي إلى مجموعة السكريات قليلة التعدد. ومن أمثلتها البارزة 2’-فوكوزيل لاكتوز (2′-FL)، ولاكتو-N-نيوتيتراوز (LNnT)، و3’-غالاكتوزيل لاكتوز (3′-GL)، وثنائي فوكوزيل لاكتوز (DFL).
مع أن حليب الأم يحتوي على أكثر من 150 بنية مختلفة من HMOs، فإن 2′-فوكوزيل لاكتوز (2′-FL) ولاكتو-N-نيوتيتراوز (LNnT) وحدهما يُنتجان حاليًا على المستوى التجاري ويُستخدمان بوصفهما إضافات غذائية في تركيبات حليب الرضع.
تُعرف السكريات قليلة التعدد في حليب الأم (HMOs) بأهميتها في تغذية الرضع. وهي نوع فريد من المغذيات، تعمل بوصفها بريبيوتيك، وعوامل مضادة للميكروبات تمنع الالتصاق، ومعدِّلات مناعية داخل أمعاء الرضيع، وتسهم بدرجة كبيرة في نمو الدماغ. توجد HMOs حصريًا في حليب الأم البشري؛ ولا يحتوي حليب الثدييات الأخرى (مثل الأبقار والماعز والأغنام والإبل وغيرها) على هذه الأشكال المحددة من السكريات قليلة التعدد.
تُعد السكريات قليلة التعدد في حليب الأم ثالث أكثر المكونات الصلبة وفرةً في حليب الأم، ويمكن أن توجد في الماء في صورة مذابة أو مستحلبة أو معلّقة. ويُعد اللاكتوز والأحماض الدهنية أكثر المواد الصلبة وفرةً في حليب الأم. توجد HMOs بتركيز يتراوح بين 0.35–0.88 أونصة (9.9–24.9 g)/ L. ويُعرف نحو 200 نوع مختلف بنيويًا من السكريات قليلة التعدد في حليب الأم. والسكر قليل التعدد السائد لدى 80% من جميع النساء هو 2′-فوكوزيل لاكتوز، الذي يوجد في حليب الأم بتركيز يبلغ نحو 2.5 g/ L.
نظرًا إلى أن HMOs لا تُهضم، فإنها لا تسهم بسعرات حرارية في التغذية. وبوصفها كربوهيدرات غير قابلة للهضم، فإنها تعمل بوصفها بريبيوتيك، وتُخمَّر انتقائيًا بواسطة النبيت الميكروبي المعوي المرغوب فيه، ولا سيما البكتيريا المشقوقة.

التخليق الحيوي للسكريات قليلة التعدد في حليب الأم

المصانع الخلوية والأنظمة الإنزيمية / الكيميائية الإنزيمية هي التقنيات الحالية المستخدمة لتخليق HMOs. ولإنتاج HMOs على النطاق الصناعي، يُعد تخمير المصانع الخلوية الميكروبية والتخليق الكيميائي الحيوي والتفاعلات الإنزيمية المختلفة طرقًا قابلة للتطبيق لإنتاج HMOs حيويًا. ولأسباب اقتصادية، يُعد التخليق الحيوي باستخدام المصانع الخلوية الميكروبية حاليًا التقنية الوحيدة المستخدمة في إنتاج HMOs على المستوى الصناعي.

تخمير HMOs باستخدام المصانع الخلوية الميكروبية

تُستخدم E.coli وSaccharomyces cerevisiae وLactococcus lactis بصورة شائعة بوصفها مصانع خلوية للإنتاج الحيوي للجزيئات البيولوجية، مثل HMOs. والتخمير عملية كيميائية حيوية تستخدم الكائنات الدقيقة لتحويل ركيزة إلى جزيئات بيولوجية مستهدفة. تستخدم المصانع الخلوية الميكروبية السكريات البسيطة بوصفها ركيزة، وتحوّلها إلى HMOs. ونظرًا إلى أن السكريات البسيطة (مثل اللاكتوز) ركيزة وفيرة ورخيصة، فإن ذلك يحافظ على الكفاءة الاقتصادية لعملية التخليق الحيوي.
يتأثر معدل النمو والتحويل الحيوي أساسًا بانتقال كتلة المغذيات (الركيزة) إلى الكائنات الدقيقة. ويُعد معدل انتقال الكتلة عاملًا رئيسيًا يؤثر في تخليق المنتج أثناء التخمير. ومن المعروف أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تعزّز انتقال الكتلة.
أثناء التخمير، يجب مراقبة الظروف داخل المفاعل الحيوي وضبطها باستمرار، بحيث تنمو الخلايا بأسرع ما يمكن، لتنتج بعد ذلك الجزيئات الحيوية المستهدفة (مثل السكريات قليلة التعدد كـ HMOs؛ والإنسولين؛ والبروتينات المؤتلفة). ومن الناحية النظرية، يبدأ تكوّن المنتج بمجرد بدء نمو المزرعة الخلوية. ولكن، ولا سيما في الخلايا المعدّلة وراثيًا مثل الكائنات الدقيقة المهندسة، يُحفَّز تكوّن المنتج عادةً في مرحلة لاحقة بإضافة مادة كيميائية إلى الركيزة، تزيد التعبير عن الجزيء الحيوي المستهدف. ويمكن التحكم بدقة في المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية، وتتيح هذه المفاعلات تحفيزًا موجّهًا للميكروبات. ويؤدي ذلك إلى تسريع التخليق الحيوي وتحقيق مردود أعلى.
التحلل والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية: قد تحدّ من تخمير HMOs المعقدة تراكيزُ المنتجات المنخفضة في التخمير وبقاءُ المنتجات داخل الخلايا. ويُستخدم التحلل والاستخلاص بالموجات فوق الصوتية لتحرير المواد الموجودة داخل الخلايا قبل التنقية وعمليات المعالجة اللاحقة.

التخمير المعزَّز بالموجات فوق الصوتية

يمكن تسريع معدل نمو الميكروبات، مثل Escherichia coli وE.coli المهندسة وSaccharomyces cerevisiae وLactococcus lactis، من خلال زيادة معدل انتقال الكتلة ونفاذية جدار الخلية، بتطبيق معالجة مضبوطة بالموجات فوق الصوتية منخفضة التردد. وبوصفها تقنية معالجة لطيفة وغير حرارية، تُطبّق المعالجة بالموجات فوق الصوتية قوى ميكانيكية بحتة داخل مرق التخمير.
التجويف الصوتي: يعتمد مبدأ عمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي. يُقرن المسبار فوق الصوتي (السونوترود) الموجات فوق الصوتية منخفضة التردد بالوسط. وتنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل، مولّدةً دورات متناوبة من الضغط المرتفع (الانضغاط) / الضغط المنخفض (التخلخل). ومن خلال ضغط السائل وتمديده في دورات متناوبة، تتشكّل فقاعات فراغية دقيقة. وتنمو هذه الفقاعات الفراغية الصغيرة على مدى عدة دورات حتى تصل إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص مزيد من الطاقة. وعند هذه النقطة من النمو الأقصى، تنهار الفقاعة الفراغية بعنف نحو الداخل، وتولّد ظروفًا موضعية شديدة تُعرف بظاهرة التجويف. وفي «البقعة الساخنة» الناتجة عن التجويف، يمكن رصد فروق كبيرة في الضغط ودرجة الحرارة وقوى قص شديدة، مع نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280m/sec. ومن خلال تأثيرات التجويف هذه، يتحقق انتقال شامل للكتلة والتثقيب بالموجات فوق الصوتية (إحداث ثقوب في جدران الخلايا وأغشيتها). وتُحمل مغذيات الركيزة نحو الخلايا الحية الكاملة وإلى داخلها، بحيث تتغذى المصانع الخلوية على النحو الأمثل وتتسارع معدلات النمو والتحويل. وتُعد المفاعلات الحيوية بالموجات فوق الصوتية استراتيجية بسيطة، لكنها عالية الفعالية، لمعالجة الكتلة الحيوية ضمن عملية تخليق حيوي في وعاء واحد.
من المعروف أن المعالجة اللطيفة بالموجات فوق الصوتية، المضبوطة بدقة، تكثّف عمليات التخمير.
تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية «إنتاجية العديد من العمليات الحيوية التي تشمل خلايا حية، من خلال تعزيز امتصاص الركيزة، وتعزيز الإنتاج أو النمو بزيادة مسامية الخلايا، وربما تعزيز تحرير مكونات الخلايا.» (Naveena et al. 2015)
اقرأ المزيد عن التخمير بمساعدة الموجات فوق الصوتية!

وجد Naveena et al. (2015) أن التكثيف بالموجات فوق الصوتية يوفّر عدة مزايا أثناء المعالجة الحيوية، تشمل انخفاض تكاليف التشغيل مقارنةً بخيارات المعالجة الأخرى المستخدمة للتعزيز، وبساطة التشغيل، ومتطلبات طاقة محدودة.

مفاعلات تخمير عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية

تتضمن عمليات التخمير كائنات دقيقة حية، مثل البكتيريا أو الخميرة، تعمل بوصفها مصانع خلوية. وفي حين تُطبَّق المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز انتقال الكتلة وزيادة معدل نمو الكائنات الدقيقة والتحويل لديها، فمن الضروري التحكم بدقة في شدة الموجات فوق الصوتية لتجنّب تدمير المصانع الخلوية.
تتخصص Hielscher Ultrasonics في تصميم أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء وتصنيعها وتوزيعها، ويمكن التحكم في هذه الأجهزة ومراقبتها بدقة لضمان مردود فائق من التخمير.

التحكم في العملية ضروري لتحقيق مردود مرتفع وجودة فائقة، كما يتيح تكرار النتائج وإعادة إنتاجها. ولا سيما عند تحفيز المصانع الخلوية، فإن تكييف معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية وفقًا لنوع الخلايا ضروري لتحقيق مردود مرتفع ومنع تدهور الخلايا. لذلك، تُجهَّز جميع الطرازات الرقمية من أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية ببرمجيات ذكية تتيح لك ضبط معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومراقبتها ومراجعتها. وتُعد معلمات العملية فوق الصوتية، مثل السعة ودرجة الحرارة والضغط ومدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ودورات التشغيل والطاقة المُدخلة، ضرورية لتعزيز إنتاج HMO عن طريق التخمير.
تسجّل البرمجيات الذكية لأجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية جميع معلمات العملية المهمة تلقائيًا على بطاقة SD المدمجة. ويشكّل التسجيل التلقائي لبيانات عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية أساسًا لتوحيد العملية وقابلية إعادة إنتاج النتائج / تكرارها، وهي متطلبات لازمة لممارسات التصنيع الجيدة (GMP).

مفاعلات بالموجات فوق الصوتية للتخمير

تقدّم Hielscher مسابير فوق صوتية بأحجام وأطوال وأشكال هندسية متنوعة، يمكن استخدامها للمعالجة على دفعات وكذلك للمعالجة بالتدفق المستمر. وتتوفر المفاعلات بالموجات فوق الصوتية، المعروفة أيضًا باسم المفاعلات الحيوية فوق الصوتية، لأي حجم، لتغطي المعالجة الحيوية بالموجات فوق الصوتية بدءًا من العينات المختبرية الصغيرة ووصولًا إلى الإنتاج التجريبي والإنتاج التجاري الكامل.
من المعروف أن موضع السونوترود فوق الصوتي في وعاء التفاعل يؤثر في توزيع التجويف والتدفقات الدقيقة داخل الوسط. ويجب اختيار السونوترود والمفاعل فوق الصوتي وفقًا لحجم مرق الخلايا المراد معالجته. ومع أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية يمكن إجراؤها على دفعات أو بصورة مستمرة، فإنه يُوصى باستخدام تجهيزات تدفق مستمر لأحجام الإنتاج الكبيرة. فعند المرور عبر خلية التدفق فوق الصوتية، يتعرض الوسط الخلوي بأكمله للمقدار نفسه تمامًا من المعالجة بالموجات فوق الصوتية، مما يضمن المعالجة الأكثر فعالية. وتتيح المجموعة الواسعة من المسابير فوق الصوتية ومفاعلات خلايا التدفق لدى Hielscher Ultrasonics تجميع منظومة مثالية للمعالجة الحيوية بالموجات فوق الصوتية.

Hielscher Ultrasonics – من المختبر إلى النطاق التجريبي ثم الإنتاج

تغطي Hielscher Ultrasonics الطيف الكامل للمعدات فوق الصوتية، فتوفّر مجانسات بالموجات فوق الصوتية مدمجة ومحمولة باليد لتحضير العينات، وأنظمة توضع على طاولة المختبر وأنظمة تجريبية، وكذلك وحدات صناعية قوية بالموجات فوق الصوتية تعالج بسهولة حمولات شاحنات في الساعة. وبفضل تنوّع خيارات التركيب والتثبيت ومرونتها، يمكن دمج أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بسهولة في جميع أنواع مفاعلات الدفعات أو مفاعلات الدفعات المغذّاة أو منظومات التدفق المستمر.
تتيح الملحقات المتنوعة والأجزاء المصممة حسب الطلب تكييف منظومتك فوق الصوتية على النحو الأمثل مع متطلبات عمليتك.
صُمّمت معالجات Hielscher بالموجات فوق الصوتية للعمل على مدار 24/7 تحت الحمل الكامل وفي الخدمة الشاقة ضمن ظروف صعبة، وهي موثوقة ولا تتطلب سوى صيانة قليلة.
يقدّم الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية: