Биосинтетично производство на олигозахариди от човешкото мляко

Биосинтезата на олигозахариди от човешкото мляко (HMOs) чрез ферментация или ензимни реакции е сложен, изискващ ресурси процес, който често се характеризира с нисък добив. Ултразвуковата обработка увеличава масопреноса между субстрата и клетъчните фабрики и стимулира клетъчния растеж и метаболизма. По този начин ултразвуковата обработка интензифицира ферментацията и биохимичните процеси, което води до ускорено и по-ефективно производство на HMOs.

Олигозахариди от човешкото мляко

Олигозахаридите от човешкото мляко (HMOs), известни също като гликани на човешкото мляко, са захарни молекули, които принадлежат към групата на олигозахаридите. Характерни примери за HMOs са 2’-fucosyllactose (2′-FL), лакто-N-неотетраоза (LNnT), 3’-galactosyllactose (3′-GL) и дифукозиллактоза (DFL).
Въпреки че човешката кърма съдържа повече от 150 различни структури на HMO, понастоящем само 2′-fucosyllactose (2′-FL) и лакто-N-неотетраоза (LNnT) се произвеждат в търговски мащаб и се използват като хранителни добавки в млеката за кърмачета.
Олигозахаридите от човешкото мляко (HMOs) са известни със значението си за храненето на бебетата. Олигозахаридите от човешкото мляко са уникален вид хранителни вещества, които действат като пребиотици, антиадхезивни антимикробни агенти и имуномодулатори в червата на кърмачето и допринасят съществено за развитието на мозъка. HMOs се срещат единствено в човешката кърма; млеката на други бозайници (напр. крави, кози, овце, камили и др.) не съдържат тези специфични форми на олигозахариди.
Олигозахаридите от човешкото мляко са третият по съдържание твърд компонент в човешкото мляко, който може да присъства в разтворена, емулгирана или суспендирана във вода форма. Лактозата и мастните киселини са твърдите вещества с най-високо съдържание в човешкото мляко. HMOs присъстват в концентрация от 0,35–0,88 унции (9,9–24,9 g)/ L. Известни са приблизително 200 структурно различни олигозахарида от човешкото мляко. Преобладаващият олигозахарид при 80% от всички жени е 2′-fucosyllactose, който присъства в човешката кърма в концентрация приблизително 2,5 g/ L.
Тъй като HMOs не се усвояват при храносмилането, те не допринасят с калории към храненето. Като несмилаеми въглехидрати те функционират като пребиотици и се ферментират селективно от полезната чревна микрофлора, особено от бифидобактериите.

Биосинтеза на олигозахариди от човешкото мляко

Клетъчните фабрики и ензимните / химиоензимните системи са съвременни технологии, използвани за синтеза на HMOs. За производството на HMO в промишлен мащаб ферментацията с микробни клетъчни фабрики, биохимичният синтез и различните ензимни реакции са приложими начини за биопроизводство на HMO. По икономически причини биосинтезата чрез микробни клетъчни фабрики понастоящем е единствената техника, използвана за промишлено производство на HMOs.

Ферментация за производство на HMOs с използване на микробни клетъчни фабрики

E.coli, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis са често използвани клетъчни фабрики за биопроизводството на биологични молекули като HMOs. Ферментацията е биохимичен процес, при който микроорганизми превръщат субстрат в целеви биологични молекули. Микробните клетъчни фабрики използват прости захари като субстрат, който превръщат в HMOs. Тъй като простите захари (напр. лактозата) са изобилен и евтин субстрат, това поддържа икономическата ефективност на процеса на биосинтеза.
Скоростта на растеж и биоконверсия се влияе главно от масопреноса на хранителни вещества (субстрат) към микроорганизмите. Скоростта на масопренос е основен фактор, който влияе върху синтеза на продукта по време на ферментацията. Ултразвуковата обработка е добре известна със способността си да подобрява масопреноса.
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 произвеждат след това целевите биомолекули (напр. олигозахариди като HMOs; инсулин; рекомбинантни протеини). Теоретично образуването на продукта започва веднага щом клетъчната култура започне да расте. Особено при генетично модифицирани клетки, като микроорганизми, модифицирани чрез генно инженерство, обаче то обикновено се индуцира по-късно чрез добавяне към субстрата на химично вещество, което повишава експресията на целевата биомолекула. Ултразвуковите биореактори (сонобиореактори) могат да се управляват прецизно и позволяват специфично стимулиране на микробите. Това води до ускорена биосинтеза и по-високи добиви.
Ултразвуков лизис и екстракция: Ферментацията за производство на сложни HMOs може да бъде ограничена от ниски ферментационни титри и от задържането на продуктите вътре в клетките. Ултразвуковият лизис и екстракцията се използват за освобождаване на вътреклетъчния материал преди пречистването и последващите процеси.

Ферментация, подпомагана с ултразвук

Скоростта на растеж на микроби като Escherichia coli, E.coli, модифицирани чрез генно инженерство, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis може да бъде увеличена чрез повишаване на скоростта на масопренос и пропускливостта на клетъчната стена посредством контролирана нискочестотна ултразвукова обработка. Като щадяща, нетермична техника за обработка, ултразвуковата обработка прилага чисто механични сили във ферментационния бульон.
Акустична кавитация: Принципът на действие на ултразвуковата обработка се основава на акустичната кавитация. Ултразвуковата сонда (сонотродът) предава нискочестотни ултразвукови вълни в средата. Ултразвуковите вълни преминават през течността, създавайки редуващи се цикли на високо налягане (сгъстяване) / ниско налягане (разреждане). При сгъстяването и разтягането на течността в редуващи се цикли възникват миниатюрни вакуумни мехурчета. Тези малки вакуумни мехурчета нарастват в продължение на няколко цикъла, докато достигнат размер, при който не могат да поглъщат повече енергия. В тази точка на максимално нарастване вакуумното мехурче имплодира бурно и създава локално екстремни условия, известни като явлението кавитация. В кавитационната „гореща точка“ могат да се наблюдават големи разлики в налягането и температурата и интензивни сили на срязване с течни струи със скорост до 280m/sec. Чрез тези кавитационни ефекти се постигат интензивен масопренос и сонопорация (перфориране на клетъчните стени и клетъчните мембрани). Хранителните вещества от субстрата се пренасят към живите цели клетки и във вътрешността им, така че клетъчните фабрики получават оптимално хранене, а скоростите на растеж и конверсия се увеличават. Ултразвуковите биореактори са проста, но високоефективна стратегия за обработка на биомаса в процес на биосинтеза в един реакционен съд.
Прецизно контролираната, щадяща ултразвукова обработка е добре известна със способността си да интензифицира ферментационните процеси.
Ултразвуковата обработка подобрява „производителността на много биопроцеси, включващи живи клетки, чрез подобряване на усвояването на субстрата, увеличаване на производството или растежа чрез повишаване на клетъчната порьозност и потенциално увеличаване на освобождаването на клетъчни компоненти.“ (Naveena et al. 2015)
Прочетете повече за ферментацията, подпомагана с ултразвук!

Naveena et al. (2015) установяват, че ултразвуковата интензификация предлага няколко предимства при биопроцесирането, включително ниски експлоатационни разходи в сравнение с други варианти за обработка с цел подобряване на процеса, лесна работа и умерени изисквания за мощност.

Високопроизводителни ултразвукови реактори за ферментация

Ферментационните процеси включват живи микроорганизми като бактерии или дрожди, които функционират като клетъчни фабрики. Когато ултразвуковата обработка се прилага за подобряване на масопреноса и увеличаване на скоростта на растеж и конверсия на микроорганизмите, от решаващо значение е ултразвуковият интензитет да се контролира прецизно, за да се избегне разрушаването на клетъчните фабрики.
Hielscher Ultrasonics е специалист в проектирането, производството и дистрибуцията на високопроизводителни ултразвукови апарати, които могат да се управляват и наблюдават прецизно, за да осигурят превъзходни ферментационни добиви.

Контролът на процеса е от съществено значение не само за високи добиви и превъзходно качество, но позволява и повторяемост и възпроизводимост на резултатите. Особено при стимулирането на клетъчни фабрики адаптирането на параметрите на ултразвуковата обработка към конкретните клетки е от съществено значение за постигане на високи добиви и предотвратяване на клетъчното разграждане. Ето защо всички цифрови модели ултразвукови апарати на Hielscher са оборудвани с интелигентен софтуер, който ви позволява да настройвате, наблюдавате и коригирате параметрите на ултразвуковата обработка. Параметрите на ултразвуковия процес, като амплитуда, температура, налягане, продължителност на ултразвуковата обработка, работни цикли и вложена енергия, са от съществено значение за подпомагане на производството на HMO чрез ферментация.
Интелигентният софтуер на ултразвуковите апарати на Hielscher автоматично записва всички важни параметри на процеса върху вградената SD карта. Автоматичното записване на данните от процеса на ултразвукова обработка е основата за стандартизацията на процеса и възпроизводимостта / повторяемостта, които се изискват за добрите производствени практики (GMP).

Ултразвукови реактори за ферментация

Hielscher предлага ултразвукови сонди с различни размери, дължини и геометрии, които могат да се използват както за партидна, така и за непрекъсната проточна обработка. Ултразвуковите реактори, известни също като сонобиореактори, се предлагат за всякакви обеми, обхващайки ултразвуковото биопроцесиране от малки лабораторни проби до пилотно производство и производство в пълен търговски мащаб.
Добре известно е, че местоположението на ултразвуковия сонотрод в реакционния съд влияе върху разпределението на кавитацията и микропотоците в средата. Сонотродът и ултразвуковият реактор трябва да се избират според обработвания обем на клетъчния бульон. Въпреки че ултразвуковата обработка може да се извършва както в партиден, така и в непрекъснат режим, за големи производствени обеми се препоръчва използването на инсталация с непрекъснат поток. При преминаване през ултразвукова проточна клетка цялата клетъчна среда се подлага на точно еднакво въздействие на ултразвуковата обработка, което осигурява най-ефективната обработка. Широката гама ултразвукови сонди и реактори с проточни клетки на Hielscher Ultrasonics позволява изграждането на идеалната система за ултразвуково биопроцесиране.

Hielscher Ultrasonics – от лабораторията през пилотното производство до производството

Hielscher Ultrasonics покрива целия спектър от ултразвуково оборудване, предлагайки компактни ръчни ултразвукови хомогенизатори за подготовка на проби, настолни и пилотни системи, както и мощни промишлени ултразвукови апарати, които лесно обработват количества, равни на товари на камиони, за час. Благодарение на разнообразните и гъвкави възможности за инсталиране и монтаж ултразвуковите апарати на Hielscher могат лесно да се интегрират във всякакви партидни реактори, системи за периодични процеси с подхранване или системи с непрекъснат поток.
Различните аксесоари, както и изработените по поръчка части, позволяват идеално адаптиране на вашата ултразвукова система към изискванията на процеса ви.
Създадени за работа 24/7 при пълно натоварване и тежък режим в трудни условия, ултразвуковите процесори на Hielscher са надеждни и изискват само минимална поддръжка.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: