Ултразвукова дезинтеграция на клетки

Ултразвуковата обработка е ефективно средство за дезинтеграция на клетъчни структури. Затова ултразвуковите апарати се използват широко в лабораториите за разрушаване на клетките и извличане на вътреклетъчни молекули, белтъци и органели за изследвания и анализ. В промишлен мащаб ултразвуковата дезинтеграция и лизис се използват за изолиране на молекули от клетъчни фабрики или за подпомагане на разграждането на биомаса.

Какво представлява ултразвуковата дезинтеграция?

Ултразвуковата дезинтеграция, известна също като ултразвукова хомогенизация, е процес, при който се използват ултразвукови вълни с висок интензитет и ниска честота за разрушаване на клетъчните стени и молекулните структури в течна среда. Тази техника се използва често в различни научни и промишлени приложения за няколко цели:

Разрушаване на клетките: Ултразвуковата дезинтеграция се използва широко в клетъчната и молекулярната биология за разрушаване на клетъчните мембрани, при което се освобождава клетъчно съдържимо като белтъци, нуклеинови киселини и органели. Това е полезно за извличане на вътреклетъчни компоненти за анализ или за лизиране на клетки в микробиологични и биотехнологични процеси.

• Хомогенизация: Тя подпомага равномерното смесване на компонентите в пробата, особено при работа с несмесващи се течности или при стремеж към получаване на еднородна смес от материали.
• Екстракция на белтъци: В биологията, протеомиката и науките за живота анализът на белтъци е много често срещана задача. Преди белтъците да могат да бъдат анализирани чрез аналитични тестове, те трябва да бъдат извлечени от вътрешността на клетката и изолирани. Използването на ултразвукови апарати е най-широко прилаганият метод за екстракция на белтъци.
• Фрагментация на ДНК: ДНК и РНК са различни видове нуклеинови киселини, които съхраняват и кодират генетичната информация в клетките. При анализ на ДНК и РНК понякога се налага дългите вериги да бъдат фрагментирани – процес, който може да се извърши надеждно и ефективно чрез ултразвукова обработка.
• Подготовка на проби: В изследванията и анализа подготовката на проби е обичайна процедура преди прилагането на различни аналитични техники. Ултразвуковата дезинтеграция може да подпомогне разтварянето или диспергирането на проби, което може да подобри точността и възпроизводимостта на анализите.

Предимства на ултразвуковата дезинтеграция

Защо да използвате ултразвуков апарат със сонда за дезинтеграция, разрушаване на клетките и екстракция на вътреклетъчни молекули и белтъци? Ултразвуковият апарат или ултразвуковият дезинтегратор предлага множество предимства, които правят ултразвуковата обработка по-добрата технология в сравнение с други методи за дезинтеграция, като хомогенизация под високо налягане, смилане в топкова мелница или микрофлуидизация.

• Нетоплинен метод: Ултразвуковата дезинтеграция е нетоплинен метод, което означава, че не разчита на топлина за разрушаване на материалите. Това е предимство за приложения, при които високите температури биха могли да увредят термочувствителните проби.
• Прецизност и контрол: Процесът може да се контролира с висока прецизност, което позволява целенасочено разрушаване, смесване или намаляване на размера на частиците.
• Бързина и ефективност: Ултразвуковата обработка обикновено е бърз и ефективен метод, което я прави подходяща за приложения с висок капацитет за обработка.
• Намалена употреба на химикали: В много случаи ултразвуковата дезинтеграция може да намали необходимостта от агресивни химикали или органични разтворители, което може да бъде благоприятно за околната среда и да намали риска от химично замърсяване.
• Без смилащи тела, без дюзи: Алтернативните техники за дезинтеграция, като смилане в топкова мелница или мелница с микросфери, или използване на хомогенизатори под високо налягане, имат недостатъци. Смилането в топкова мелница или мелница с микросфери изисква използването на смилащи тела (микросфери или перли), които трябва да бъдат отделяни и почиствани с много труд. Хомогенизаторите под високо налягане имат дюзи, които са склонни към запушване. За разлика от тях, ултразвуковите хомогенизатори са лесни за използване, много надеждни и здрави и изискват съвсем малко поддръжка.
• Универсалност: Тя може да се прилага към широк спектър от материали, включително бактерии, растителни клетки, тъкани на бозайници, водорасли, гъби и др., което я прави универсална техника в различни области.
  Мащабируемост: Ултразвуковата техника може да се мащабира за промишлени процеси, което я прави подходяща както за лабораторни приложения, така и за производство в голям мащаб.

Принцип на действие на ултразвуковата дезинтеграция и разрушаването на клетките

Ултразвуковата обработка генерира редуващи се вълни с високо и ниско налягане в обработваната течност. По време на цикъла с ниско налягане ултразвуковите вълни създават малки вакуумни мехурчета в течността, които се свиват бурно по време на цикъл с високо налягане. Това явление се нарича кавитация. Имплозията на кавитационното мехурче предизвиква силни хидродинамични сили на срязване, които причиняват първо сонопорация, а след това ефективно разрушаване на клетъчните структури. Вътреклетъчните молекули и органели се освобождават напълно в разтворителя.

Ултразвукова дезинтеграция на клетъчни структури

Силите на срязване могат да дезинтегрират влакнестия целулозен материал до фини частици и да разрушат стените на клетъчната структура. Това освобождава повече от вътреклетъчния материал, като нишесте или захар, в течността. Освен това материалът на клетъчната стена се раздробява на малки фрагменти.

Този ефект може да се използва за ферментация, разграждане и други процеси на преобразуване на органична материя. След смилане и раздробяване ултразвуковата обработка прави повече от вътреклетъчния материал, например нишесте, както и фрагментите от клетъчната стена достъпни за ензимите, които превръщат нишестето в захари. Тя увеличава и повърхността, достъпна за ензимите по време на втечняване или озахаряване. Това обикновено увеличава скоростта и добива при ферментация с дрожди и други процеси на преобразуване, например за повишаване на производството на етанол от биомаса.

Използвайте ултразвукова дезинтеграция – надеждно и ефективно във всеки мащаб

Ултразвуковите апарати Hielscher се предлагат с различни номинални мощности и капацитети за обработка. Независимо дали искате да обработвате с ултразвук малки биологични проби от няколко микролитра до няколко литра, или трябва да обработвате големи потоци от клетки или биомаса за производство, Hielscher Ultrasonics ще ви предложи най-подходящия ултразвуков дезинтегратор за вашето биологично приложение.

• лабораторен мащаб за 1mL до приблизително 5L, напр. UP400St със сонотрод 22mm
• настолен мащаб при приблизително 0,1 до 20L/min, напр. UIP1000hdT със сонотрод 34mm и проточна клетка
• производствен мащаб, започващ от 20L/min, напр. UIP4000hdT или UIP16000hdT

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите лабораторни ултразвукови апарати:

Моля, използвайте формуляра по-долу, ако желаете да получите повече информация за използването на ултразвукови устройства за дезинтеграция на клетки. Ще се радваме да ви помогнем.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите промишлени ултразвукови апарати:

Литература / Източници

• Nico Böhmer, Andreas Dautel, Thomas Eisele, Lutz Fischer (2012): Recombinant expression, purification and characterisation of the native glutamate racemase from Lactobacillus plantarum NC8. Protein Expr Purif. 2013 Mar;88(1):54-60.
• Brandy Verhalen, Stefan Ernst, Michael Börsch, Stephan Wilkens (2012): Dynamic Ligand-induced Conformational Rearrangements in P-glycoprotein as Probed by Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy. J Biol Chem. 2012 Jan 6;287(2): 1112-27.
• Claudia Lindemann, Nataliya Lupilova, Alexandra Müller, Bettina Warscheid, Helmut E. Meyer, Katja Kuhlmann, Martin Eisenacher, Lars I. Leichert (2013): Redox Proteomics Uncovers Peroxynitrite-Sensitive Proteins that Help Escherichia coli to Overcome Nitrosative Stress. J Biol Chem. 2013 Jul 5; 288(27): 19698–19714.
• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.