Ultrazvukové rozrušování buněk

Ultrasonikace je účinným prostředkem k rozrušování buněčných struktur. Sonikátory se proto hojně používají v laboratořích k otevírání buněk a k extrakci intracelulárních molekul, proteinů a organel pro výzkum a analýzu. V průmyslovém měřítku se ultrazvukové rozrušování a lyze využívají k izolaci molekul z buněčných továren nebo k podpoře rozkladu biomasy.

Co je ultrazvukové rozrušování?

Ultrazvukové rozrušování, známé také jako ultrazvuková homogenizace, je proces, který využívá vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvukové vlny k rozrušení buněčných stěn a narušení molekulárních struktur v kapalném médiu. Tato technika se běžně používá v různých vědeckých a průmyslových aplikacích k několika účelům:

Dezintegrace buněk: Ultrazvukové rozrušování se hojně používá v buněčné a molekulární biologii k narušení buněčných membrán, čímž se uvolňuje buněčný obsah, jako jsou proteiny, nukleové kyseliny a organely. To je užitečné pro extrakci intracelulárních složek pro analýzu nebo pro lyzi buněk v mikrobiologických a biotechnologických procesech.

• Homogenizace: Napomáhá rovnoměrnému promíchání složek ve vzorku, zejména při práci s nemísitelnými kapalinami nebo při snaze dosáhnout konzistentní směsi materiálů.
• Extrakce proteinů: V biologii, proteomice a biovědách je analýza proteinů velmi častým úkolem. Než lze proteiny analyzovat v testech, musí být extrahovány z nitra buňky a izolovány. Sonikátory jsou nejrozšířenější metodou extrakce proteinů.
• Fragmentace DNA: DNA a RNA jsou odlišné typy nukleových kyselin, které v buňkách uchovávají a kódují genetickou informaci. Při analýze DNA a RNA je někdy nutné dlouhá vlákna fragmentovat, což je proces, který lze spolehlivě a efektivně provést sonikací.
• Příprava vzorků: Ve výzkumu a analýze je příprava vzorků běžným postupem před různými analytickými technikami. Ultrazvukové rozrušování může pomoci vzorky rozpustit nebo dispergovat, což může zlepšit přesnost a reprodukovatelnost analýz.

Výhody ultrazvukového rozrušování

Proč používat sonikátor sondového typu k rozrušování, dezintegraci buněk a extrakci intracelulárních molekul a proteinů? Sonikátor neboli ultrazvukový dismembrátor nabízí řadu výhod, díky nimž je sonikace ve srovnání s jinými metodami rozrušování, jako je vysokotlaká homogenizace, mletí v kulovém mlýně nebo mikrofluidizace, technologií vyšší kvality.

• Netermická metoda: Ultrazvukové rozrušování je netermická metoda, což znamená, že k rozkladu materiálů nevyužívá teplo. To je výhodné pro aplikace, kde by vysoké teploty mohly degradovat vzorky citlivé na teplo.
• Přesnost a řízení: Proces lze řídit s vysokou přesností, což umožňuje cílenou dezintegraci, míchání nebo zmenšování velikosti částic.
• Rychlost a účinnost: Ultrasonikace je obecně rychlá a účinná metoda, díky čemuž je vhodná pro aplikace s vysokou kapacitou zpracování.
• Snížená spotřeba chemikálií: V mnoha případech může ultrazvukové rozrušování snížit potřebu agresivních chemikálií nebo organických rozpouštědel, což může být šetrné k životnímu prostředí a snížit riziko chemické kontaminace.
• Žádná mlecí média, žádné trysky: Alternativní techniky rozrušování, jako je mletí v kulovém/kuličkovém mlýně nebo vysokotlaké homogenizátory, mají své nevýhody. Mletí v kulovém/kuličkovém mlýně vyžaduje použití mlecích médií (kuliček nebo perel), která je nutné pracně oddělovat a čistit. Vysokotlaké homogenizátory mají trysky, které mají sklon k ucpávání. Naproti tomu ultrazvukové homogenizátory se snadno používají, jsou vysoce spolehlivé a robustní a vyžadují jen velmi malou údržbu.
• Všestrannost: Lze ji použít na širokou škálu materiálů, včetně bakterií, rostlinných buněk, savčích tkání, řas, hub atd., což z ní činí všestrannou techniku v různých oborech.
  Škálovatelnost: Ultrazvukovou techniku lze převést na průmyslové procesy, díky čemuž je vhodná pro laboratorní i velkoobjemové výrobní aplikace.

Princip fungování ultrazvukového rozrušování a dezintegrace buněk

Ultrasonikace vytváří v exponované kapalině střídavé vlny vysokého a nízkého tlaku. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bublinky, které během vysokotlakého cyklu prudce kolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Imploze kavitační bublinky vyvolává silné hydrodynamické smykové síly, které nejprve způsobí sonoporaci a následně účinné rozrušení buněčných struktur. Intracelulární molekuly a organely se zcela uvolní do rozpouštědla.

Ultrazvukové rozrušování buněčných struktur

Smykové síly mohou rozrušit vláknitý celulózový materiál na jemné částice a porušit stěny buněčné struktury. Tím se do kapaliny uvolní více intracelulárního materiálu, jako je škrob nebo cukr. Kromě toho se materiál buněčných stěn rozbije na drobné úlomky.

Tento efekt lze využít pro fermentaci, rozklad a další konverzní procesy organické hmoty. Po mletí a drcení zpřístupní ultrasonikace více intracelulárního materiálu, např. škrobu, jakož i úlomků buněčných stěn enzymům, které přeměňují škrob na cukry. Zvětšuje také plochu povrchu vystavenou enzymům během zkapalňování nebo zcukernatění. To obvykle zvyšuje rychlost a výtěžek kvasinkové fermentace a dalších konverzních procesů, což lze využít např. ke zvýšení produkce ethanolu z biomasy.

Využijte ultrazvukové rozrušování – spolehlivě a efektivně v jakémkoli měřítku

Sonikátory Hielscher jsou k dispozici s různými jmenovitými výkony a kapacitami zpracování. Ať už chcete sonikovat malé biologické vzorky v objemu od několika mikrolitrů po několik litrů, nebo potřebujete zpracovávat velké proudy buněk či biomasy ve výrobě, Hielscher Ultrasonics vám nabídne nejvhodnější ultrazvukový dismembrátor pro vaši biologickou aplikaci.

• laboratorní měřítko pro 1mL až cca 5L, např. UP400St se sonotrodou 22mm
• stolní měřítko při cca 0,1 až 20L/min, např. UIP1000hdT se sonotrodou 34mm a průtokovou celou
• výrobní měřítko od 20L/min, např. UIP4000hdT nebo UIP16000hdT

Následující tabulka uvádí orientační přibližnou kapacitu zpracování našich laboratorních ultrazvukových přístrojů:

Pokud byste chtěli získat více informací o použití ultrazvukových zařízení k rozrušování buněk, použijte prosím níže uvedený formulář. Rádi vám pomůžeme.

Následující tabulka uvádí orientační přibližnou kapacitu zpracování našich průmyslových ultrazvukových přístrojů:

Literatura / Reference

• 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.