İnsan südü oliqosaxaridlərinin biosintetik istehsalı
İnsan südü oliqosaxaridlərinin (HMO-ların) fermentasiya və ya fermentativ reaksiyalar vasitəsilə biosintezi mürəkkəb, resurs sərf edən və çox vaxt aşağı məhsul çıxımı ilə nəticələnən prosesdir. Ultrasəslə emal substrat və hüceyrə fabrikləri arasında kütlə ötürülməsini artırır, hüceyrələrin böyüməsini və metabolizmini stimullaşdırır. Beləliklə, ultrasəslə emal fermentasiya və biokimyəvi prosesləri intensivləşdirərək HMO-ların daha sürətli və daha səmərəli istehsalını təmin edir.
İnsan südü oliqosaxaridləri
İnsan südü qlikanları kimi də tanınan insan südü oliqosaxaridləri (HMO-lar) oliqosaxaridlər qrupuna daxil olan şəkər molekullarıdır. HMO-ların mühüm nümunələrinə 2’-fukozillaktoza (2′-FL), lakto-N-neotetraoza (LNnT), 3’-qalaktozillaktoza (3′-GL) və difukozillaktoza (DFL) daxildir.
İnsan ana südü 150-dən çox müxtəlif HMO strukturundan ibarət olsa da, hazırda yalnız 2′-fukozillaktoza (2′-FL) və lakto-N-neotetraoza (LNnT) kommersiya miqyasında istehsal olunur və körpələr üçün süd qarışıqlarında qida əlavələri kimi istifadə edilir.
İnsan südü oliqosaxaridləri (HMO-lar) körpələrin qidalanmasındakı əhəmiyyəti ilə tanınır. İnsan südü oliqosaxaridləri körpənin bağırsağında prebiotiklər, yapışmanın qarşısını alan antimikrob maddələr və immunomodulyatorlar kimi fəaliyyət göstərən, beynin inkişafına əhəmiyyətli töhfə verən unikal qida maddələri növüdür. HMO-lar yalnız insan ana südündə olur; digər məməlilərin südündə (məsələn, inək, keçi, qoyun, dəvə və s.) oliqosaxaridlərin bu xüsusi formaları yoxdur.
İnsan südü oliqosaxaridləri insan südündə miqdarına görə üçüncü yerdə olan bərk komponentdir və suda həll olmuş, emulsiya və ya suspenziya halında mövcud ola bilər. Laktoza və yağ turşuları insan südündə ən çox olan bərk maddələrdir. HMO-ların konsentrasiyası 0,35–0,88 unsiya (9,9–24,9 g)/ L təşkil edir. Struktur baxımından fərqli təxminən 200 insan südü oliqosaxaridi məlumdur. Bütün qadınların 80%-ində üstünlük təşkil edən oliqosaxarid 2′-fukozillaktozadır və onun insan ana südündəki konsentrasiyası təxminən 2,5 g/ L-dir.
HMO-lar həzm olunmadığı üçün qidalanmaya kalori baxımından töhfə vermir. Həzm olunmayan karbohidratlar kimi onlar prebiotik funksiyasını yerinə yetirir və arzuolunan bağırsaq mikroflorası, xüsusilə bifidobakteriyalar tərəfindən seçici şəkildə fermentasiya olunur.
- körpələrin inkişafını dəstəkləyir
- beynin inkişafı üçün vacibdir
- iltihabəleyhinə və
- mədə-bağırsaq traktında yapışmanın qarşısını alan təsirlər göstərir
- böyüklərdə immun sistemini dəstəkləyir
Bu UIP2000hdT ultrasəs prosessoru kütlə ötürülməsini artırır və HMO-lar kimi biosintez olunan bioloji molekulların daha yüksək məhsul çıxımını təmin etmək üçün hüceyrə fabriklərini aktivləşdirir
İnsan südü oliqosaxaridlərinin biosintezi
Hüceyrə fabrikləri və fermentativ / kimyəvi-fermentativ sistemlər HMO-ların sintezi üçün istifadə olunan müasir texnologiyalardır. HMO-ların sənaye miqyasında istehsalı üçün mikrob hüceyrə fabriklərinin fermentasiyası, biokimyəvi sintez və müxtəlif fermentativ reaksiyalar HMO-ların bioloji istehsalının həyata keçirilə bilən yollarıdır. İqtisadi səbəblərə görə mikrob hüceyrə fabrikləri vasitəsilə biosintez hazırda HMO-ların sənaye istehsalı səviyyəsində istifadə olunan yeganə üsuldur.
Mikrob hüceyrə fabriklərindən istifadə etməklə HMO-ların fermentasiyası
E.coli, Saccharomyces cerevisiae və Lactococcus lactis HMO-lar kimi bioloji molekulların bioloji istehsalı üçün geniş istifadə olunan hüceyrə fabrikləridir. Fermentasiya substratı hədəf bioloji molekullara çevirmək üçün mikroorqanizmlərdən istifadə edən biokimyəvi prosesdir. Mikrob hüceyrə fabrikləri substrat kimi sadə şəkərlərdən istifadə edir və onları HMO-lara çevirir. Sadə şəkərlər (məsələn, laktoza) bol və ucuz substrat olduğundan biosintez prosesi xərc baxımından səmərəli qalır.
Böyümə və biokonversiya sürətinə əsasən qida maddələrinin (substratın) mikroorqanizmlərə kütlə ötürülməsi təsir edir. Kütlə ötürülməsinin sürəti fermentasiya zamanı məhsulun sintezinə təsir edən əsas amillərdən biridir. Ultrasəslə emalın kütlə ötürülməsini gücləndirdiyi yaxşı məlumdur.
Fermentasiya zamanı bioreaktordakı şərait daim izlənməli və tənzimlənməlidir ki, hüceyrələr mümkün qədər sürətlə böyüsün və sonra hədəf biomolekulları (məsələn, HMO-lar kimi oliqosaxaridlər; insulin; rekombinant zülallar) istehsal etsin. Nəzəri olaraq, hüceyrə kulturası böyüməyə başlayan kimi məhsulun əmələ gəlməsi də başlayır. Lakin xüsusilə genetik modifikasiya olunmuş hüceyrələrdə, məsələn, genetik mühəndisliklə dəyişdirilmiş mikroorqanizmlərdə bu proses adətən daha sonra substrata hədəf biomolekulun ekspressiyasını artıran kimyəvi maddənin əlavə edilməsi ilə induksiya olunur. Ultrasəs bioreaktorları (sono-bioreaktorlar) dəqiq idarə oluna bilər və mikrobların spesifik stimullaşdırılmasına imkan verir. Bu, biosintezin sürətlənməsi və daha yüksək məhsul çıxımı ilə nəticələnir.
Ultrasəslə lizis və ekstraksiya: mürəkkəb HMO-ların fermentasiyası aşağı fermentasiya titrləri və məhsulların hüceyrə daxilində qalması ilə məhdudlaşa bilər. Ultrasəslə lizis və ekstraksiya təmizləmə və sonrakı emal proseslərindən əvvəl hüceyrədaxili materialın sərbəst buraxılması üçün istifadə olunur.
Ultrasəslə gücləndirilən fermentasiya
Escherichia coli, genetik mühəndisliklə dəyişdirilmiş E.coli, Saccharomyces cerevisiae və Lactococcus lactis kimi mikrobların böyümə sürəti idarə olunan aşağı tezlikli ultrasəs tətbiqi ilə kütlə ötürülməsinin sürətini və hüceyrə divarının keçiriciliyini artırmaqla yüksəldilə bilər. Yumşaq, qeyri-termik emal üsulu kimi ultrasəslə emal fermentasiya mühitinə sırf mexaniki qüvvələr tətbiq edir.
Akustik kavitasiya: ultrasəslə emalın iş prinsipi akustik kavitasiyaya əsaslanır. Ultrasəs zondu (sonotrod) aşağı tezlikli ultrasəs dalğalarını mühitə ötürür. Ultrasəs dalğaları mayedən keçərək növbələşən yüksək təzyiq (sıxılma) / aşağı təzyiq (seyrəkləşmə) dövrləri yaradır. Mayenin növbələşən dövrlərdə sıxılması və dartılması nəticəsində çox kiçik vakuum qabarcıqları yaranır. Bu kiçik vakuum qabarcıqları bir neçə dövr ərzində böyüyərək artıq əlavə enerji uda bilmədikləri ölçüyə çatır. Bu maksimum böyümə nöqtəsində vakuum qabarcığı şiddətlə içəriyə doğru çökür və kavitasiya hadisəsi kimi tanınan lokal ekstremal şərait yaradır. Kavitasiya “qaynar nöqtəsində” yüksək təzyiq və temperatur fərqləri, eləcə də sürəti 280m/sec-ə qədər olan maye şırnaqları ilə müşayiət olunan güclü kəsilmə qüvvələri müşahidə edilə bilər. Bu kavitasiya təsirləri sayəsində hərtərəfli kütlə ötürülməsi və sonoporasiya (hüceyrə divarlarının və hüceyrə membranlarının deşilməsi) əldə edilir. Substratın qida maddələri canlı, bütöv hüceyrələrə doğru və onların daxilinə daşınır; beləliklə, hüceyrə fabrikləri optimal şəkildə qidalanır, həm böyümə, həm də çevrilmə sürətləri artır. Ultrasəs bioreaktorları biokütlənin bir qabda biosintez prosesi ilə emalı üçün sadə, lakin yüksək dərəcədə effektiv strategiyadır.
Dəqiq idarə olunan yumşaq ultrasəs emalının fermentasiya proseslərini intensivləşdirdiyi yaxşı məlumdur.
Ultrasəslə emal “substratın mənimsənilməsinin yaxşılaşdırılması, hüceyrə məsaməliliyinin artırılması ilə istehsalın və ya böyümənin gücləndirilməsi və hüceyrə komponentlərinin sərbəst buraxılmasının potensial olaraq artırılması vasitəsilə canlı hüceyrələrin iştirak etdiyi bir çox bioprosesin məhsuldarlığını” artırır. (Naveena et al. 2015)
Ultrasəsin köməyi ilə fermentasiya haqqında daha ətraflı oxuyun!
- Artırılmış məhsul çıxımı
- Sürətləndirilmiş fermentasiya
- Hüceyrəyə spesifik stimullaşdırma
- Substratın mənimsənilməsinin yaxşılaşdırılması
- Artırılmış hüceyrə məsaməliliyi
- Asan idarəetmə
- Təhlükəsiz
- Mövcud sistemə sadə inteqrasiya
- Miqyasın xətti artırılması
- Partiya ilə və ya axın xəttində emal
- İnvestisiyanın sürətli geri dönüşü
Naveena et al. (2015) ultrasəslə intensivləşdirmənin bioloji emal zamanı bir sıra üstünlüklər verdiyini müəyyən etmişdir. Bunlara digər gücləndirici emal variantları ilə müqayisədə aşağı istismar xərcləri, idarəetmənin sadəliyi və nisbətən az güc tələbatı daxildir.
MultiSonoReactor MSR-4 insan südü oliqosaxaridlərinin (HMO) biosintezini gücləndirmək üçün uyğun olan sənaye tipli axın xətti homogenizatorudur.
Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs fermentasiya reaktorları
Fermentasiya proseslərində hüceyrə fabrikləri kimi fəaliyyət göstərən bakteriya və ya maya kimi canlı mikroorqanizmlər iştirak edir. Ultrasəslə emal kütlə ötürülməsini gücləndirmək, mikroorqanizmlərin böyümə və çevrilmə sürətini artırmaq üçün tətbiq olunsa da, hüceyrə fabriklərinin məhv olmasının qarşısını almaq üçün ultrasəs intensivliyini dəqiq idarə etmək son dərəcə vacibdir.
Hielscher Ultrasonics yüksək fermentasiya məhsul çıxımını təmin etmək üçün dəqiq idarə oluna və izlənə bilən yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs cihazlarının layihələndirilməsi, istehsalı və təchizatı üzrə mütəxəssisdir.
Prosesə nəzarət yüksək məhsul çıxımı və üstün keyfiyyət üçün zəruri olmaqla yanaşı, nəticələrin təkrarlanmasına və yenidən əldə edilməsinə də imkan verir. Xüsusilə hüceyrə fabriklərinin stimullaşdırılması zamanı yüksək məhsul çıxımına nail olmaq və hüceyrələrin parçalanmasının qarşısını almaq üçün ultrasəslə emal parametrlərinin hüceyrəyə uyğunlaşdırılması vacibdir. Buna görə Hielscher ultrasəs cihazlarının bütün rəqəmsal modelləri ultrasəslə emal parametrlərini tənzimləməyə, izləməyə və yenidən nəzərdən keçirməyə imkan verən ağıllı proqram təminatı ilə təchiz olunub. Amplituda, temperatur, təzyiq, ultrasəslə emal müddəti, iş dövrləri və verilən enerji kimi ultrasəs prosesi parametrləri fermentasiya vasitəsilə HMO istehsalını gücləndirmək üçün vacibdir.
Hielscher ultrasəs cihazlarının ağıllı proqram təminatı bütün mühüm proses parametrlərini inteqrasiya olunmuş SD-karta avtomatik yazır. Ultrasəslə emal prosesinin məlumatlarının avtomatik qeydiyyatı Yaxşı İstehsalat Təcrübələri (GMP) üçün tələb olunan proses standartlaşdırılmasının və nəticələrin yenidən əldə edilə bilməsinin / təkrarlana bilməsinin əsasını təşkil edir.
Fermentasiya üçün ultrasəs reaktorları
Hielscher həm partiya ilə, həm də fasiləsiz axınla emal üçün istifadə oluna bilən müxtəlif ölçülü, uzunluqlu və həndəsi formalı ultrasəs zondları təklif edir. Sono-bioreaktorlar kimi də tanınan ultrasəs reaktorları kiçik laboratoriya nümunələrindən pilot və tam kommersiya istehsalı səviyyəsinə qədər ultrasəslə bioloji emalı əhatə edən istənilən həcm üçün mövcuddur.
Ultrasəs sonotrodunun reaksiya qabında yerləşməsinin mühit daxilində kavitasiyanın və mikroaxınların paylanmasına təsir etdiyi yaxşı məlumdur. Sonotrod və ultrasəs reaktoru hüceyrə suspenziyasının emal həcminə uyğun seçilməlidir. Ultrasəslə emal həm partiya ilə, həm də fasiləsiz rejimdə aparıla bilsə də, yüksək istehsal həcmləri üçün fasiləsiz axın qurğusundan istifadə tövsiyə olunur. Ultrasəs axın kamerasından keçən bütün hüceyrə mühiti ultrasəslə emala tam olaraq eyni dərəcədə məruz qalır və bu, ən effektiv emalı təmin edir. Hielscher Ultrasonics şirkətinin geniş ultrasəs zondu və axın kameralı reaktor çeşidi ideal ultrasəslə bioloji emal sistemini qurmağa imkan verir.
Hielscher Ultrasonics – Laboratoriyadan pilot miqyasına və istehsala
Hielscher Ultrasonics nümunələrin hazırlanması üçün yığcam əl ultrasəs homogenizatorlarından masaüstü və pilot sistemlərə, eləcə də saatda yük maşınları dolusu materialı asanlıqla emal edən güclü sənaye ultrasəs qurğularına qədər ultrasəs avadanlığının bütün spektrini əhatə edir. Quraşdırma və montaj seçimləri baxımından çoxfunksiyalı və çevik olan Hielscher ultrasəs cihazları bütün növ partiya reaktorlarına, qidalandırılan partiya sistemlərinə və ya fasiləsiz axın sistemlərinə asanlıqla inteqrasiya oluna bilər.
Müxtəlif aksesuarlar və xüsusi hazırlanmış hissələr ultrasəs sisteminizin proses tələblərinizə ideal uyğunlaşdırılmasına imkan verir.
Tələbkar şəraitdə tam yük altında və ağır iş rejimində 24/7 işləmək üçün hazırlanmış Hielscher ultrasəs prosessorları etibarlıdır və yalnız az texniki xidmət tələb edir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü haqqında məlumat verir:
| Partiya həcmi | Həcm sərfi | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | qruplaşdırılmış UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Yüksək güclü ultrasəs homogenizatorları – laboratoriya miqyasından pilot və sənaye miqyasına qədər.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- 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.
Bilməyə dəyər faktlar
Hüceyrə fabriklərindən istifadə etməklə biosintez
Mikrob hüceyrə fabriki mikrob hüceyrələrindən istehsal müəssisəsi kimi istifadə edən biomühəndislik üsuludur. Mikrobların genetik mühəndisliyi vasitəsilə bakteriyalar, mayalar, göbələklər, məməli hüceyrələri və ya yosunlar kimi mikroorqanizmlərin DNT-si dəyişdirilir və mikroblar hüceyrə fabriklərinə çevrilir. Hüceyrə fabrikləri substratları, məsələn, qida, əczaçılıq, kimya və yanacaq istehsalında istifadə olunan qiymətli bioloji molekullara çevirmək üçün istifadə olunur. Hüceyrə fabriklərinə əsaslanan biosintezin müxtəlif strategiyaları təbii metabolitlərin istehsalına, heteroloji biosintetik yolların ekspressiyasına və ya zülal ekspressiyasına yönəlir.
Hüceyrə fabrikləri təbii metabolitləri sintez etmək, heteroloji biosintetik yolları ekspressiya etmək və ya zülalları ekspressiya etmək üçün istifadə oluna bilər.
Təbii metabolitlərin biosintezi
Təbii metabolitlər hüceyrə fabriki kimi istifadə olunan hüceyrələrin təbii şəkildə istehsal etdiyi bioloji molekullar kimi müəyyən edilir. Hüceyrə fabrikləri bu bioloji molekulları ya hüceyrə daxilində, ya da ifraz olunan maddə kimi istehsal edir. Sonuncuya üstünlük verilir, çünki bu, hədəf birləşmələrin ayrılmasını və təmizlənməsini asanlaşdırır. Təbii metabolitlərə amin və nuklein turşuları, antibiotiklər, vitaminlər, fermentlər, bioaktiv birləşmələr və hüceyrənin anabolik yolları vasitəsilə istehsal olunan zülallar misaldır.
Heteroloji biosintetik yollar
Maraq doğuran birləşməni istehsal etməyə çalışarkən ən vacib qərarlardan biri istehsalın təbii sahib orqanizmdə aparılması və bu sahibin optimallaşdırılması ilə biosintetik yolun başqa, yaxşı tanınan sahib orqanizmə köçürülməsi arasında seçimdir. İlkin sahib orqanizm sənaye fermentasiya prosesinə uyğunlaşdırıla bilirsə və bunun sağlamlıqla bağlı riskləri yoxdursa (məsələn, zəhərli əlavə məhsulların istehsalı), bu, üstün tutulan strategiya ola bilər (məsələn, penisillin üçün olduğu kimi). Lakin bir çox müasir hallarda sənayedə üstün tutulan hüceyrə fabrikindən və əlaqəli platforma proseslərindən istifadənin potensialı biosintetik yolun köçürülməsinin çətinliyini üstələyir.
Zülal ekspressiyası
Zülalların ekspressiyası homoloji və heteroloji yollarla həyata keçirilə bilər. Homoloji ekspressiyada orqanizmdə təbii olaraq mövcud olan gen həddindən artıq ekspressiya olunur. Bu həddindən artıq ekspressiya vasitəsilə müəyyən bioloji molekulun daha yüksək məhsul çıxımı əldə edilə bilər. Heteroloji ekspressiya üçün konkret gen həmin genin təbii olaraq mövcud olmadığı sahib hüceyrəyə köçürülür. Hüceyrə mühəndisliyi və rekombinant DNT texnologiyasından istifadə etməklə gen sahibin DNT-sinə daxil edilir ki, sahib hüceyrə təbii olaraq istehsal etməyəcəyi zülalı (böyük) miqdarlarda istehsal etsin. Zülal ekspressiyası müxtəlif sahib orqanizmlərdə və hüceyrələrdə həyata keçirilir: bakteriyalarda, məsələn, E. coli və Bacillis subtilis; mayalarda, məsələn, Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae; sapvari göbələklərdə, məsələn, A. niger; həmçinin məməlilər və həşəratlar kimi çoxhüceyrəli orqanizmlərdən əldə edilmiş hüceyrələrdə. Kütləvi istehsal olunan fermentlər, mürəkkəb biofarmasevtik preparatlar, diaqnostik vasitələr və tədqiqat reagentləri də daxil olmaqla saysız-hesabsız zülallar böyük kommersiya marağı doğurur. (bax: A.M. Davy et al. 2017)