Biosintetička proizvodnja oligosaharida ljudskog mleka
Biosinteza oligosaharida u ljudskom mlijeku (HMO) putem fermentacije ili enzimskih reakcija je složen, zahtjevan i često niskog prinosa. Ultrasonication povećava prijenos mase između supstrata i tvornica stanica i stimulira rast stanica i metabolizam. Na taj način, sonikacija intenzivira fermentaciju i biohemijske procese što rezultira ubrzanom i efikasnijom proizvodnjom HMO-a.
oligosaharidi humanog mleka
Oligosaharidi ljudskog mleka (HMO), takođe poznati kao glikani humanog mleka, su molekuli šećera, koji su deo grupe oligosaharida. Istaknuti primjeri HMO uključuju 2'-fukozilaktozu (2′-FL), lakto-N-neotetraoza (LNnT), 3'-galaktozilaktoza (3′-GL) i difukozilaktozu (DFL).
Dok se ljudsko majčino mlijeko sastoji od više od 150 različitih HMO struktura, samo se 2′-fukozilaktoza (2′-FL) i lakto-N-neotetraoza (LNnT) trenutno proizvode na komercijalnom nivou i koriste kao nutritivni aditivi u formulama za dojenčad.
Oligosaharidi ljudskog mlijeka (HMO) poznati su po svom značaju u ishrani beba. Oligosaharidi ljudskog mlijeka su jedinstvena vrsta nutrijenata, koji djeluju kao prebiotici, anti-adhezivni antimikrobni lijekovi i imunomodulatori u crijevima novorođenčeta i značajno doprinose razvoju mozga. HMO se nalaze isključivo u ljudskom majčinom mlijeku; druga mlijeka sisara (npr. kravlje, kozje, ovčje, kamilje itd.) nemaju ove specifične oblike oligosaharida.
Oligosaharidi ljudskog mlijeka su treća najzastupljenija čvrsta komponenta u majčinom mlijeku, koja može biti prisutna u otopljenom ili emulgiranom ili suspendiranom obliku u vodi. Laktoza i masne kiseline su najzastupljenije čvrste materije koje se nalaze u ljudskom mleku. HMO su prisutni u koncentraciji od 0,35–0,88 unci (9,9–24,9 g)/L. Poznato je približno 200 strukturno različitih oligosaharida u ljudskom mleku. Dominantni oligosaharid kod 80% svih žena je 2′-fukozilaktozu, koja je prisutna u majčinom mlijeku kod ljudi u koncentraciji od približno 2,5 g/L.
Pošto se HMO ne probavljaju, ne doprinose kalorijski ishrani. Budući da su neprobavljivi ugljikohidrati, funkcionišu kao prebiotici i selektivno su fermentirani željenom mikroflorom crijeva, posebno bifidobakterijama.
- promovišu razvoj dojenčadi
- važni su za razvoj mozga
- djeluje protuupalno i
- anti-adhezivno djelovanje u gastrointestinalnom traktu
- podržava imuni sistem kod odraslih

The Ultrazvučni procesor UIP2000hdT povećava prijenos mase i aktivira tvornice stanica za veće prinose biosintetiziranih bioloških molekula kao što su HMO
Biosinteza oligosaharida ljudskog mleka
Fabrike ćelija i enzimski/hemoenzimski sistemi su trenutne tehnologije koje se koriste za sintezu HMO. Za proizvodnju HMO u industrijskim razmjerima, fermentacija tvornica mikrobnih ćelija, biohemijska sinteza i različite enzimske reakcije su izvodljivi načini biološke proizvodnje HMO. Zbog ekonomskih razloga, biosinteza putem tvornica mikrobnih ćelija trenutno je jedina tehnika koja se koristi na nivou industrijske proizvodnje HMO.
Fermentacija HMO-a korištenjem tvornica mikrobnih ćelija
E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis su obično korištene tvornice ćelija koje se koriste za bio-proizvodnju bioloških molekula kao što su HMO. Fermentacija je biohemijski proces koji koristi mikroorganizme za pretvaranje supstrata u ciljane biološke molekule. Fabrike mikrobnih ćelija koriste jednostavne šećere kao supstrat, koje pretvaraju u HMO. Budući da su jednostavni šećeri (npr. laktoza) bogat, jeftin supstrat, to čini proces biosinteze isplativim.
Na rast i brzinu biokonverzije uglavnom utječe prijenos mase hranjivih tvari (supstrata) do mikroorganizama. Brzina prijenosa mase je glavni faktor koji utječe na sintezu proizvoda tokom fermentacije. Poznato je da ultrazvuk promovira prijenos mase.
Tokom fermentacije, uvjeti u bioreaktoru moraju se stalno pratiti i regulirati kako bi stanice mogle rasti što je brže moguće kako bi potom proizvele ciljane biomolekule (npr. oligosaharidi kao što su HMO; inzulin; rekombinantni proteini). Teoretski, formiranje proizvoda počinje čim kultura ćelija počne rasti. Međutim, posebno u genetski modificiranim stanicama, kao što su inženjering mikroorganizmi, obično se kasnije inducira dodavanjem kemijske tvari u supstrat, koja pojačava ekspresiju ciljane biomolekule. Ultrazvučni bioreaktori (sono-bioreactor) mogu se precizno kontrolisati i omogućiti specifičnu stimulaciju mikroba. To rezultira ubrzanom biosintezom i većim prinosima.
Ultrazvučna liza i ekstrakcija: Fermentacija složenih HMO može biti ograničena niskim titarima fermentacije i proizvodima koji ostaju unutar ćelije. Ultrazvučna liza i ekstrakcija se koriste za oslobađanje unutarćelijskog materijala prije pročišćavanja i nizvodnih procesa.
Ultrazvučno promovirana fermentacija
Brzina rasta mikroba kao što su Escherichia coli, dizajnirana E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis može se ubrzati povećanjem brzine prijenosa mase i propusnosti ćelijskog zida primjenom kontrolirane ultrazvučne obrade niske frekvencije. Kao blaga, netermalna tehnika obrade, ultrazvuk primjenjuje čisto mehaničke sile na fermentacijski bujon.
Akustična kavitacija: Princip rada sonikacije temelji se na akustičnoj kavitaciji. Ultrazvučna sonda (sonotroda) spaja ultrazvučne talase niske frekvencije u medijum. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost stvarajući naizmenične cikluse visokog pritiska (kompresija) / niskog pritiska (razređivanja). Kompresijom i rastezanjem tečnosti u naizmeničnim ciklusima nastaju sitni vakuumski mehurići. Ovi mali vakuumski mjehurići rastu tokom nekoliko ciklusa dok ne dostignu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovoj tački maksimalnog rasta, vakuumski mehur nasilno implodira i stvara lokalno ekstremne uslove, poznate kao fenomen kavitacije. U kavitacionoj „vrućoj tački“ mogu se uočiti visoke razlike pritiska i temperature i intenzivne sile smicanja sa mlazovima tečnosti do 280 m/sec. Ovim kavitacijskim efektima postiže se temeljit prijenos mase i sonoporacija (perforacija ćelijskih zidova i ćelijskih membrana). Hranjive tvari supstrata plutaju do i u žive cijele ćelije, tako da se ćelijske fabrike optimalno hrane i ubrzavaju rast i stope konverzije. Ultrazvučni bioreaktori su jednostavna, ali vrlo efikasna strategija za obradu biomase u procesu biosinteze u jednom loncu.
Poznato je da precizno kontrolirana, blaga sonikacija intenzivira procese fermentacije.
Sonikacija poboljšava „produktivnost mnogih bioprocesa koji uključuju žive ćelije putem poboljšanja uzimanja supstrata, poboljšane proizvodnje ili rasta povećanjem poroznosti ćelije i potencijalno poboljšanog oslobađanja ćelijskih komponenti. (Naveena et al. 2015.)
Pročitajte više o fermentaciji potpomognutoj ultrazvukom!
- povećan prinos
- Ubrzana fermentacija
- Stimulacija specifična za ćelije
- Poboljšano upijanje supstrata
- Povećana poroznost ćelija
- jednostavan za rukovanje
- sigurno
- Jednostavna retro ugradnja
- Linearno povećanje
- Batch ili In-line obrada
- Fast RoI
Naveena et al. (2015) su otkrili da ultrazvučno intenziviranje nudi nekoliko prednosti tokom bioprocesiranja, uključujući niske operativne troškove u poređenju s drugim opcijama poboljšanja tretmana, jednostavnost rada i skromne zahtjeve za snagom.

MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizator pogodan za poboljšanu biosintezu oligosaharida ljudskog mlijeka (HMO).
Ultrazvučni reaktori za fermentaciju visokih performansi
Procesi fermentacije uključuju žive mikroorganizme poput bakterija ili kvasca, koji funkcioniraju kao tvornice stanica. Dok se ultrazvučna obrada primjenjuje za promoviranje prijenosa mase i povećanje rasta i stope konverzije mikroorganizama, ključno je precizno kontrolirati ultrazvučni intenzitet kako bi se izbjeglo uništavanje tvornica ćelija.
Hielscher Ultrasonics je specijalista za dizajniranje, proizvodnju i distribuciju ultrasonikatora visokih performansi, koji se mogu precizno kontrolirati i pratiti kako bi se osigurali vrhunski prinosi fermentacije.
Kontrola procesa nije samo neophodna za visoke prinose i vrhunski kvalitet, već omogućava ponavljanje i reprodukciju rezultata. Naročito kada je riječ o stimulaciji tvornica ćelija, prilagođavanje parametara sonikacije specifično za ćeliju je od suštinskog značaja za postizanje visokih prinosa i sprječavanje degradacije stanica. Stoga su svi digitalni modeli Hielscher ultrasonicatora opremljeni inteligentnim softverom, koji vam omogućava da prilagodite, nadgledate i revidirate parametre ultrazvučne obrade. Parametri ultrazvučnog procesa kao što su amplituda, temperatura, pritisak, trajanje sonikacije, ciklusi rada i unos energije su od suštinskog značaja za promociju proizvodnje HMO putem fermentacije.
Pametni softver Hielscher ultrasonicatora automatski snima sve važne parametre procesa na integriranu SD karticu. Automatsko snimanje podataka procesa ultrazvuka je osnova za standardizaciju procesa i reproducibilnost/ponovljivost, koji su potrebni za dobru proizvodnu praksu (GMP).
Ultrazvučni rektori za fermentaciju
Hielscher nudi ultrazvučne sonde različite veličine, dužine i geometrije, koje se mogu koristiti za serijske, kao i kontinuirane protočne tretmane. Ultrazvučni reaktori, poznati i kao sono-bioreaktori, dostupni su za bilo koji volumen koji pokriva ultrazvučnu bioprocesu, od malih laboratorijskih uzoraka do nivoa pilot i potpuno komercijalne proizvodnje.
Dobro je poznato da lokacija ultrazvučne sonotrode u reakcionoj posudi utiče na distribuciju kavitacije i mikro-strujanja unutar medija. Sonotrode i ultrazvučni reaktor treba izabrati u skladu sa zapreminom obrade ćelijskog bujona. Dok se ultrazvuk može izvoditi u serijama kao iu kontinuiranom načinu rada, za velike količine proizvodnje preporučuje se korištenje instalacije s kontinuiranim protokom. Prolazeći kroz ultrazvučnu protočnu ćeliju, svi ćelijski medijumi dobijaju potpuno istu izloženost sonikaciji osiguravajući najefikasniji tretman. Hielscher Ultrasonics širok spektar ultrazvučnih sondi i reaktora protočnih ćelija omogućava sastavljanje idealne ultrazvučne bioprocesne postavke.
Hielscher Ultrasonics – Od laboratorije preko pilota do proizvodnje
Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučne opreme koja nudi kompaktne ručne ultrazvučne homogenizatore za pripremu uzoraka za stolne i pilot sisteme, kao i moćne industrijske ultrazvučne jedinice koje lako obrađuju kamione na sat. Budući da su svestrani i fleksibilni u instalacijskim i montažnim opcijama, Hielscher ultrasonikatori se mogu lako integrirati u sve vrste batch reaktora, napajanih serija ili kontinualnih protočnih postavki.
Različiti dodaci kao i prilagođeni dijelovi omogućavaju idealno prilagođavanje vašeg ultrazvučnog podešavanja vašim zahtjevima procesa.
Napravljeni za 24/7 rad pod punim opterećenjem i teškim opterećenjem u zahtjevnim uvjetima, Hielscher ultrazvučni procesori su pouzdani i zahtijevaju samo malo održavanja.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!

Ultrazvučni homogenizatori velike snage od lab to pilot i industrijski skala.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Biosinteza pomoću tvornica ćelija
Fabrika mikrobnih ćelija je metoda bioinženjeringa, koja koristi mikrobne ćelije kao proizvodni pogon. Genetskim inženjeringom mikroba, DNK mikroorganizama kao što su bakterije, kvasci, gljive, stanice sisara ili alge se modificira pretvarajući mikrobe u tvornice stanica. Fabrike ćelija koriste se za pretvaranje supstrata u vredne biološke molekule, koji se koriste npr. u hrani, farmaciji, hemiji i proizvodnji goriva. Različite strategije biosinteze zasnovane na ćelijskoj fabrici imaju za cilj proizvodnju nativnih metabolita, ekspresiju heterolognih puteva biosinteze ili ekspresiju proteina.
Ćelijske tvornice se mogu koristiti za sintetizaciju prirodnih metabolita, za ekspresiju heterolognih puteva biosinteze ili za ekspresiju proteina.
Biosinteza nativnih metabolita
Prirodni metaboliti su definirani kao biološki molekuli koje stanice koje se koriste kao tvornica stanica proizvode prirodno. Ćelijske tvornice proizvode ove biološke molekule ili intracelularno ili izlučenu supstancu. Potonji je poželjniji jer olakšava odvajanje i prečišćavanje ciljanih jedinjenja. Primjeri za prirodne metabolite su amino i nukleinske kiseline, antibiotici, vitamini, enzimi, bioaktivna jedinjenja i proteini proizvedeni iz anaboličkih puteva ćelije.
Heterologus Biosynthetic Pathways
Kada se pokušava proizvesti zanimljiv spoj, jedna od najvažnijih odluka je izbor proizvodnje u izvornom domaćinu i optimizacija ovog domaćina, ili prijenos puta na drugog dobro poznatog domaćina. Ako se izvorni domaćin može prilagoditi procesu industrijske fermentacije, a pri tome ne postoje zdravstveni rizici (npr. proizvodnja toksičnih nusproizvoda), ovo može biti poželjna strategija (kao što je bio slučaj npr. za penicilin ). Međutim, u mnogim modernim slučajevima, potencijal korištenja industrijski poželjne tvornice ćelija i povezanih procesa platforme nadmašuje poteškoću prijenosa puta.
ekspresija proteina
Ekspresija proteina se može postići na homologne i heterologne načine. U homolognoj ekspresiji, gen koji je prirodno prisutan u organizmu je prekomjerno izražen. Kroz ovu prekomjernu ekspresiju, može se proizvesti veći prinos određene biološke molekule. Za heterolognu ekspresiju, specifični gen se prenosi u ćeliju domaćina tako da gen nije prisutan prirodno. Koristeći ćelijski inženjering i tehnologiju rekombinantne DNK, gen se ubacuje u DNK domaćina tako da ćelija domaćina proizvodi (velike) količine proteina koje ne bi proizvela prirodno. Ekspresija proteina se vrši u različitim domaćinima iz bakterija, npr. E. coli i Bacillis subtilis, kvasaca, npr. Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentoznih gljiva, npr. A. niger, i ćelija koje potiču od višećelijskih organizama kao što je kao sisari i insekti. Brojni proteini su od velikog komercijalnog interesa, uključujući enzime u velikim količinama, složene bio-farmaceutike, dijagnostičke i istraživačke reagense. (usp. AM Davy et al. 2017.)