Biosyntetická produkce oligosacharidů z mateřského mléka

Biosyntéza oligosacharidů mateřského mléka (HMO) prostřednictvím fermentace nebo enzymatických reakcí je složitý, náročný a často málo výnosný proces. Ultrazvuku zvyšuje přenos hmoty mezi substrátem a buněčnými továrnami a stimuluje buněčný růst a metabolismus. Tím sonikace zintenzivňuje fermentaci a biochemické procesy, což vede k urychlení a efektivnější výrobě HMO.

oligosacharidy lidského mléka

Oligosacharidy lidského mléka (HMO), známé také jako glykany lidského mléka, jsou molekuly cukru, které jsou součástí skupiny oligosacharidů. Mezi prominentní příklady HMO patří 2'-fukosyllaktosa (2′-FL), lakto-N-neotetraosa (LNnT), 3'-galaktosyllaktosa (3′-GL) a difukosyllaktosa (DFL).
Zatímco lidské mateřské mléko se skládá z více než 150 různých struktur HMO, pouze 2'-fukosyllaktosa (2'-FL) a lakto-N-neotetraosa (LNnT) se v současné době vyrábějí na komerční úrovni a používají se jako nutriční přísady v kojenecké výživě.
Oligosacharidy lidského mléka (HMO) jsou známé svým významem ve výživě dětí. Oligosacharidy mateřského mléka jsou jedinečným typem živin, které působí jako prebiotika, antiadhezivní antimikrobiální látky a imunomodulátory ve střevech kojence a významně přispívají k vývoji mozku. HMO se nacházejí výhradně v lidském mateřském mléce; Jiná mléka savců (např. kravská, kozí, ovčí, velbloudí atd.) nemají tuto specifickou formu oligosacharidů.
Oligosacharidy mateřského mléka jsou třetí nejrozšířenější pevnou složkou mateřského mléka, která může být přítomna buď v rozpuštěné, emulgované nebo suspendované formě ve vodě. Laktóza a mastné kyseliny jsou nejhojnější sušiny nacházející se v mateřském mléce. HMO jsou přítomny v koncentraci 0,35–0,88 unce (9,9–24,9 g)/ L. Je známo přibližně 200 strukturně odlišných oligosacharidů mateřského mléka. Dominantní oligosacharid u 80 % všech žen je 2′-fukosyllaktóza, která je přítomna v lidském mateřském mléce v koncentraci přibližně 2,5 g/l.
Vzhledem k tomu, že HMO nejsou tráveny, nepřispívají kaloricky k výživě. Jako nestravitelné sacharidy fungují jako prebiotika a jsou selektivně fermentovány žádoucí střevní mikroflórou, zejména bifidobakteriemi.

Biosyntéza oligosacharidů mateřského mléka

Buněčné továrny a enzymatické / chemoenzymatické systémy jsou současné technologie používané pro syntézu HMO. Pro výrobu HMO v průmyslovém měřítku jsou fermentace mikrobiálních buněčných továren, biochemická syntéza a různé enzymatické reakce proveditelnými způsoby bioprodukce HMO. Z ekonomických důvodů je biosyntéza prostřednictvím mikrobiálních buněčných továren v současné době jedinou technikou používanou na úrovni průmyslové výroby HMO.

Fermentace HMO pomocí továren na mikrobiální buňky

E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis jsou běžně používané buněčné továrny používané pro biologickou produkci biologických molekul, jako jsou HMO. Fermentace je biochemický proces, při kterém se mikroorganismy přeměňují substrát na cílené biologické molekuly. Mikrobiální buněčné továrny používají jako substrát jednoduché cukry, které přeměňují na HMO. Vzhledem k tomu, že jednoduché cukry (např. laktóza) jsou hojným a levným substrátem, je proces biosyntézy nákladově efektivní.
Růst a rychlost biokonverze jsou ovlivněny především hromadným přenosem živin (substrátu) na mikroorganismy. Rychlost přenosu hmoty je hlavním faktorem, který ovlivňuje syntézu produktu během fermentace. Je dobře známo, že ultrazvuku podporuje přenos hmoty.
Během fermentace musí být podmínky v bioreaktoru neustále sledovány a regulovány tak, aby buňky mohly růst co nejrychleji a následně produkovat cílové biomolekuly (např. oligosacharidy, jako jsou HMO, inzulín, rekombinantní proteiny). Teoreticky začíná tvorba produktu, jakmile buněčná kultura začne růst. Nicméně, zejména v geneticky modifikovaných buňkách, jako jsou modifikované mikroorganismy, je obvykle vyvolána později přidáním chemické látky do substrátu, která zvyšuje expresi cílové biomolekuly. Ultrazvukové bioreaktory (sono-bioreaktor) lze přesně řídit a umožňují specifickou stimulaci mikrobů. To má za následek zrychlenou biosyntézu a vyšší výnosy.
Ultrazvuková lýza a extrakce: Fermentace komplexních HMO může být omezena nízkými fermentačními titry a produkty zůstávajícími intracelulárními. Ultrazvuková lýza a extrakce se používá k uvolnění intracelulárního materiálu před čištěním a následnými procesy.

Ultrazvukem podporovaná fermentace

Rychlost růstu mikrobů, jako je Escherichia coli, inženýrská E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis, může být urychlena zvýšením rychlosti přenosu hmoty a propustnosti buněčné stěny použitím kontrolované nízkofrekvenční ultrazvuku. Jako jemná, netepelná technika zpracování aplikuje ultrazvuku do fermentačního vývaru čistě mechanické síly.
Akustická kavitace: Pracovní princip sonikace je založen na akustické kavitaci. Ultrazvuková sonda (sonotroda) spojuje nízkofrekvenční ultrazvukové vlny s médiem. Ultrazvukové vlny se šíří kapalinou a vytvářejí střídavé vysokotlaké (kompresní) / nízkotlaké (zředění) cykly. Stlačováním a natahováním kapaliny ve střídajících se cyklech vznikají nepatrné vakuové bubliny. Tyto malé vakuové bubliny rostou několik cyklů, dokud nedosáhnou velikosti, kdy nemohou absorbovat žádnou další energii. V tomto bodě maximálního růstu vakuová bublina prudce imploduje a vytváří lokálně extrémní podmínky, známé jako jev kavitace. V kavitačním "hot-spotu" lze pozorovat vysoké tlakové a teplotní rozdíly a intenzivní smykové síly s kapalinovými tryskami až 280 m/s. Těmito kavitačními účinky je dosaženo důkladného přenosu hmoty a sonoporace (perforace buněčných stěn a buněčných membrán). Živiny substrátu jsou přiváděny do a do živých celých buněk, takže buněčné továrny jsou optimálně vyživovány a zrychluje se růst i rychlost přeměny. Ultrazvukové bioreaktory jsou jednoduchou, ale vysoce účinnou strategií zpracování biomasy v procesu biosyntézy v jedné nádobě.
Je dobře známo, že přesně řízená, mírná sonikace zintenzivňuje fermentační procesy.
Sonikace zlepšuje "produktivitu mnoha bioprocesů zahrnujících živé buňky prostřednictvím zlepšení příjmu substrátu, zvýšené produkce nebo růstu zvýšením pórovitosti buněk a potenciálně lepšího uvolňování buněčných složek." (Naveena et al. 2015)
Přečtěte si více o ultrazvukem asistované fermentaci!

Naveena et al. (2015) zjistili, že ultrazvuková intenzifikace nabízí několik výhod během biologického zpracování, včetně nízkých provozních nákladů ve srovnání s jinými rozšiřujícími možnostmi léčby, jednoduchosti obsluhy a skromných požadavků na energii.

Vysoce výkonné ultrazvukové fermentační reaktory

Fermentační procesy zahrnují živé mikroorganismy, jako jsou bakterie nebo kvasinky, které fungují jako buněčné továrny. Zatímco sonikace se používá k podpoře přenosu hmoty a zvýšení růstu a konverze mikroorganismů, je zásadní přesně řídit ultrazvukovou intenzitu, aby se zabránilo zničení buněčných továren.
Hielscher Ultrasonics je specialistou na navrhování, výrobu a distribuci vysoce výkonných ultrasonikátorů, které mohou být přesně řízeny a monitorovány, aby byly zajištěny vynikající fermentační výtěžky.

Řízení procesu je nezbytné nejen pro vysoké výtěžnosti a vynikající kvalitu, ale umožňuje také opakovat a reprodukovat výsledky. Zvláště pokud jde o stimulaci buněčných továren, je pro dosažení vysokých výnosů a zabránění degradaci buněk nezbytná buněčná specifická adaptace parametrů sonikace. Proto jsou všechny digitální modely Hielscher ultrasonikators vybaveny inteligentním softwarem, který vám umožňuje upravovat, sledovat a revidovat parametry sonikace. Parametry ultrazvukového procesu, jako je amplituda, teplota, tlak, doba sonikace, pracovní cykly a vstup energie, jsou nezbytné pro podporu výroby HMO prostřednictvím fermentace.
Inteligentní software Hielscher ultrasonicators automaticky zaznamenává všechny důležité parametry procesu na integrovanou SD kartu. Automatické zaznamenávání dat procesu sonikace jsou základem pro standardizaci procesu a reprodukovatelnost / opakovatelnost, které jsou vyžadovány pro správnou výrobní praxi (GMP).

Ultrazvukové rektory pro fermentaci

Hielscher nabízí ultrazvukové sondy různých velikostí, délek a geometrií, které lze použít pro dávkové i kontinuální průtokové ošetření. Ultrazvukové reaktory, známé také jako sono-bioreaktory, jsou k dispozici pro jakýkoli objem pokrývající ultrazvukové biologické zpracování od malých laboratorních vzorků až po pilotní a plně komerční úroveň výroby.
Je dobře známo, že umístění ultrazvukové sonotrody v reakční nádobě ovlivňuje distribuci kavitace a mikroproudění v médiu. Sonotroda a ultrazvukový reaktor by měly být vybrány v souladu s objemem zpracování buněčného buněčného vývaru. Zatímco sonikace může být prováděna v dávkovém i kontinuálním režimu, pro velké objemy výroby se doporučuje použití instalace s kontinuálním průtokem. Při průchodu ultrazvukovou průtokovou buňkou je veškeré buněčné médium přesně vystaveno sonikaci, což zajišťuje nejúčinnější léčbu. Hielscher Ultrazvuk široká škála ultrazvukových sond a reaktorů s průtokovými buňkami umožňuje sestavit ideální ultrazvukové nastavení biologického zpracování.

Hielscher Ultrasonics – Od laboratoře přes pilotní projekt až po výrobu

Hielscher Ultrazvuk pokrývá celé spektrum ultrazvukových zařízení, nabízí kompaktní ruční ultrazvukové homogenizátory pro přípravu vzorků na stolní a pilotní systémy, stejně jako výkonné průmyslové ultrazvukové jednotky, které snadno zpracovávají nákladní automobily za hodinu. Hielscher ultrasonicators je všestranný a flexibilní v možnostech instalace a montáže, lze snadno integrovat do všech druhů dávkových reaktorů, krmených šarží nebo kontinuálních průtokových nastavení.
Různé příslušenství a díly na míru umožňují ideální přizpůsobení vaší ultrazvukové sestavy vašim procesním požadavkům.
Ultrazvukové procesory Hielscher, postavené pro provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a těžkém provozu v náročných podmínkách, jsou spolehlivé a vyžadují pouze nízkou údržbu.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: