Биосинтетично производство на олигозахариди от човешко мляко

Биосинтезата на олигозахариди от човешко мляко (HMO) чрез ферментация или ензимни реакции е сложен, консумиращ и често с нисък добив процес. Ултразвукът увеличава преноса на маса между субстрата и клетъчните фабрики и стимулира клетъчния растеж и метаболизъм. По този начин ултразвукът засилва ферментацията и биохимичните процеси, което води до ускорено и по-ефективно производство на HMO.

олигозахариди от кърма,

Олигозахаридите на човешкото мляко (HMO), известни още като гликани на човешкото мляко, са захарни молекули, които са част от групата на олигозахаридите. Известни примери за HMO включват 2′-фукозиллактоза (2′-FL), лакто-N-неотетраоза (LNnT), 3′-галактозилактоза (3′-GL) и дифукозиллактоза (DFL).
Докато човешката кърма се състои от повече от различни 150 HMO структури, само 2'-фукозиллактоза (2′-FL) и лакто-N-неотетраоза (LNnT) в момента се произвеждат на търговско ниво и се използват като хранителни добавки в храната за кърмачета.
Олигозахаридите от човешко мляко (HMO) са известни със значението си в храненето на бебето. Олигозахаридите от човешко мляко са уникален вид хранителни вещества, които действат като пребиотици, антиадхезивни антимикробни средства и имуномодулатори в червата на бебето и допринасят значително за развитието на мозъка. HMO се намират изключително в кърмата; Други млека от бозайници (напр. краве, козе, овце, камила и др.) нямат тези специфични форми на олигозахариди.
Олигозахаридите на човешкото мляко са третият най-разпространен твърд компонент в кърмата, който може да присъства в разтворена или емулгирана или суспендирана форма във вода. Лактозата и мастните киселини са най-разпространените твърди вещества, открити в кърмата. HMO присъстват в концентрация от 0,35–0,88 унции (9,9–24,9 g)/L. Известни са приблизително 200 структурно различни олигозахарида на човешко мляко. Доминиращият олигозахарид при 80% от всички жени е 2′-фукозиллактоза, която присъства в кърмата в концентрация приблизително 2,5 g/L.
Тъй като HMO не се усвояват, те не допринасят калорично за храненето. Тъй като са несмилаеми въглехидрати, те функционират като пребиотици и селективно ферментират от желаната чревна микрофлора, особено бифидобактериите.

Биосинтеза на олигозахариди от човешко мляко

Клетъчните фабрики и ензимните/химио-ензимните системи са съвременни технологии, използвани за синтеза на HMO. За производството на HMO в промишлен мащаб ферментацията на фабрики за микробни клетки, биохимичният синтез и различните ензимни реакции са възможни начини за биопроизводство на HMO. Поради икономически причини биосинтезата чрез фабрики за микробни клетки в момента е единствената техника, използвана на ниво промишлено производство на HMO.

Ферментация на HMO с помощта на фабрики за микробни клетки

E.coli, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis са често използвани клетъчни фабрики, използвани за биопроизводство на биологични молекули като HMO. Ферментацията е биохимичен процес, използващ микроорганизми за превръщане на субстрата в целеви биологични молекули. Фабриките за микробни клетки използват прости захари като субстрат, които превръщат в HMO. Тъй като простите захари (напр. лактоза) са изобилен и евтин субстрат, това поддържа процеса на биосинтеза рентабилен.
Растежът и скоростта на биоконверсия се влияят главно от масовия пренос на хранителни вещества (субстрат) към микроорганизмите. Скоростта на пренос на маса е основен фактор, който влияе върху синтеза на продукта по време на ферментацията. Добре известно е, че ултразвукът насърчава масовия трансфер.
По време на ферментацията условията в биореактора трябва постоянно да се наблюдават и регулират, така че клетките да могат да растат възможно най-бързо, за да се произвеждат след това целевите биомолекули (напр. олигозахариди като HMO; инсулин; рекомбинантни протеини). Теоретично образуването на продукта започва веднага щом клетъчната култура започне да расте. Въпреки това, особено в генетично модифицираните клетки, като модифицирани микроорганизми, обикновено се индуцира по-късно чрез добавяне на химично вещество към субстрата, което регулира експресията на целевата биомолекула. Ултразвуковите биореактори (соно-биореактор) могат да бъдат прецизно контролирани и позволяват специфична стимулация на микробите. Това води до ускорена биосинтеза и по-високи добиви.
Ултразвуков лизис и екстракция: Ферментацията на сложни HMO може да бъде ограничена от ниски ферментационни титри и продукти, които остават вътреклетъчни. Ултразвуковият лизис и екстракция се използват за освобождаване на вътреклетъчен материал преди пречистване и процеси надолу по веригата.

Ултразвуково насърчавана ферментация

Скоростта на растеж на микроби като Escherichia coli, инженерна E.coli, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis може да бъде ускорена чрез увеличаване на скоростта на пренос на маса и пропускливостта на клетъчната стена чрез прилагане на контролирана нискочестотна ултразвукова реакция. Като мека, нетермична техника на обработка, ултразвукът прилага чисто механични сили във ферментационния бульон.
Акустична кавитация: Принципът на работа на ултразвука се основава на акустична кавитация. Ултразвуковата сонда (сонотрод) свързва нискочестотни ултразвукови вълни в средата. Ултразвуковите вълни преминават през течността, създавайки променливо високо налягане (компресия)? цикли с ниско налягане (разреждане). Чрез компресиране и разтягане на течността в редуващи се цикли възникват малки вакуумни мехурчета. Тези малки вакуумни мехурчета растат в продължение на няколко цикъла, докато достигнат размер, при който не могат да абсорбират допълнителна енергия. В тази точка на максимален растеж вакуумният балон се взривява силно и генерира локално екстремни условия, известни като феномена на кавитацията. В кавитационен “гореща точка”, могат да се наблюдават високи разлики в налягането и температурата и интензивни сили на срязване с течни струи до 280 m/sec. Чрез тези кавитационни ефекти се постига цялостен масов трансфер и сонопорация (перфорация на клетъчните стени и клетъчните мембрани). Хранителните вещества на субстрата се понасят към и в живите цели клетки, така че клетъчните фабрики да се подхранват оптимално и растежът, както и скоростта на преобразуване да се ускорят. Ултразвуковите биореактори са проста, но много ефективна стратегия за преработка на биомаса в процес на биосинтеза в един съд.
Добре известно е, че прецизно контролираната, мека ултразвук засилва процесите на ферментация.
Сонирането се подобрява “производителността на много биопроцеси, включващи живи клетки чрез подобряване на усвояването на субстрата, подобрено производство или растеж чрез увеличаване на клетъчната порьозност и потенциално засилено освобождаване на клетъчни компоненти.” (Naveena et al. 2015)
Прочетете повече за ултразвуковата ферментация!

Naveena et al. (2015) установиха, че ултразвуковата интензификация предлага няколко предимства по време на биообработката, включително ниски експлоатационни разходи в сравнение с други възможности за подобряване на лечението, простота на работа и скромни изисквания за мощност.

Високоефективни ултразвукови ферментационни реактори

Ферментационните процеси включват живи микроорганизми като бактерии или дрожди, които функционират като клетъчни фабрики. Докато ултразвукът се прилага за насърчаване на преноса на маса и увеличаване на растежа и скоростта на преобразуване на микроорганизмите, от решаващо значение е да се контролира ултразвуковият интензитет точно, за да се избегне унищожаването на клетъчните фабрики.
Hielscher Ultrasonics е специалист в проектирането, производството и разпространението на високоефективни ултразвукови апарати, които могат да бъдат прецизно контролирани и наблюдавани, за да се осигурят превъзходни добиви на ферментация.

Контролът на процеса е от съществено значение не само за високите добиви и превъзходното качество, но позволява да се повтарят и възпроизвеждат резултатите. Особено когато става въпрос за стимулиране на клетъчни фабрики, специфичната за клетките адаптация на параметрите на ултразвука е от съществено значение за постигане на високи добиви и за предотвратяване на клетъчното разграждане. Следователно всички цифрови модели ултразвукови апарати Hielscher са оборудвани с интелигентен софтуер, който ви позволява да регулирате, наблюдавате и преразглеждате параметрите на ултразвука. Ултразвуковите параметри на процеса като амплитуда, температура, налягане, продължителност на ултразвука, работни цикли и вложена енергия са от съществено значение за насърчаване на производството на HMO чрез ферментация.
Интелигентният софтуер на ултразвуковите апарати Hielscher записва автоматично всички важни параметри на процеса на вградената SD карта. Автоматичното записване на данни за процеса на ултразвук е основата за стандартизация на процеса и възпроизводимост/повторяемост, които са необходими за добрите производствени практики (GMP).

Ултразвукови ректори за ферментация

Hielscher предлага ултразвукови сонди с различни размери, дължина и геометрия, които могат да се използват както за партидни, така и за непрекъснати обработки. Ултразвуковите реактори, известни още като соно-биореактори, се предлагат за всеки обем, покриващ ултразвуковата биообработка от малки лабораторни проби до пилотно и напълно комерсиално ниво на производство.
Добре известно е, че местоположението на ултразвуковия сонотрод в реакционния съд влияе върху разпределението на кавитацията и микропотока в средата. Сонотрод и ултразвуков реактор трябва да бъдат избрани в съответствие с обема на обработка на клетъчния бульон. Докато ултразвукът може да се извършва както в партиден, така и в непрекъснат режим, за големи производствени обеми се препоръчва използването на инсталация с непрекъснат поток. Преминавайки през ултразвукова проточна клетка, цялата клетъчна среда получава абсолютно еднакво излагане на ултразвук, осигурявайки най-ефективното лечение. Широката гама от ултразвукови сонди и реактори с проточни клетки на Hielscher Ultrasonics позволява да се сглоби идеалната ултразвукова инсталация за биообработка.

Hielscher Ultrasonics – От лаборатория до пилот до производство

Hielscher Ultrasonics покрива пълния спектър от ултразвуково оборудване, предлагайки компактни ръчни ултразвукови хомогенизатори за подготовка на проби към настолни и пилотни системи, както и мощни индустриални ултразвукови устройства, които лесно обработват товари на камиони на час. Тъй като са гъвкави и гъвкави по отношение на възможностите за монтаж и монтаж, ултразвуковите апарати на Hielscher могат лесно да се интегрират във всички видове реактори, захранващи партиди или инсталации с непрекъснат поток.
Различни аксесоари, както и персонализирани части позволяват идеалното адаптиране на вашата ултразвукова настройка към вашите изисквания към процеса.
Създадени за 24/7 работа при пълно натоварване и тежки условия на натоварване, ултразвуковите процесори на Hielscher са надеждни и изискват само ниска поддръжка.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: