Ultralydsdisintegration af celler

Sonikering er en effektiv metode til at disintegrere cellestrukturer. Derfor anvendes sonikatorer i vid udstrækning i laboratorier til at bryde celler op og ekstrahere intracellulære molekyler, proteiner og organeller til forskning og analyse. I industriel skala anvendes ultralydsdisintegration og lyse til at isolere molekyler fra cellefabrikker eller fremme nedbrydningen af biomasse.

Hvad er ultralydsdisintegration?

Ultralydsdisintegration, også kendt som ultralydshomogenisering, er en proces, der anvender ultralydsbølger med høj intensitet og lav frekvens til at nedbryde cellevægge og bryde molekylære strukturer op i et flydende medium. Denne teknik anvendes almindeligvis i forskellige videnskabelige og industrielle anvendelser til flere formål:

Celleopbrydning: Ultralydsdisintegration anvendes i vid udstrækning inden for cellebiologi og molekylærbiologi til at bryde cellemembraner op og derved frigive celleindhold såsom proteiner, nukleinsyrer og organeller. Dette er nyttigt til ekstraktion af intracellulære komponenter til analyse eller til lysering af celler i mikrobiologiske og bioteknologiske processer.

• Homogenisering: Det hjælper med at blande komponenterne i en prøve ensartet, især når der arbejdes med ikke-blandbare væsker, eller når man forsøger at opnå en ensartet blanding af materialer.
• Proteinekstraktion: Inden for biologi, proteomik og biovidenskab er analyse af proteiner en meget almindelig opgave. Før proteiner kan analyseres i assays, skal de ekstraheres fra cellens indre og isoleres. Sonikatorer er den mest udbredte metode til proteinekstraktion.
• DNA-fragmentering: DNA og RNA er forskellige typer nukleinsyrer, som lagrer og koder genetisk information i celler. Når DNA og RNA analyseres, skal de lange strenge undertiden fragmenteres, hvilket kan udføres pålideligt og effektivt ved sonikering.
• Prøveforberedelse: Inden for forskning og analyse er prøveforberedelse en almindelig procedure før anvendelsen af forskellige analyseteknikker. Ultralydsdisintegration kan hjælpe med at opløse eller dispergere prøver, hvilket kan forbedre analysernes nøjagtighed og reproducerbarhed.

Fordele ved ultralydsdisintegration

Hvorfor bruge en sondebaseret sonikator til disintegration, celleopbrydning og ekstraktion af intracellulære molekyler og proteiner? En sonikator eller ultralydsdisintegrator giver adskillige fordele, som gør sonikering til den overlegne teknologi sammenlignet med andre disintegrationsmetoder såsom højtrykshomogenisering, kuglemaling eller mikrofluidisering.

• Ikke-termisk: Ultralydsdisintegration er en ikke-termisk metode, hvilket betyder, at den ikke er afhængig af varme for at nedbryde materialer. Dette er fordelagtigt i anvendelser, hvor høje temperaturer kunne nedbryde varmefølsomme prøver.
• Præcis og kontrolleret: Processen kan styres med høj præcision, hvilket muliggør specifik opbrydning, blanding eller reduktion af partikelstørrelsen.
• Hurtig og effektiv: Sonikering er generelt en hurtig og effektiv metode, hvilket gør den velegnet til anvendelser med høj prøvekapacitet.
• Reduceret kemikalieforbrug: I mange tilfælde kan ultralydsdisintegration reducere behovet for aggressive kemikalier eller organiske opløsningsmidler, hvilket kan være miljøvenligt og reducere risikoen for kemisk kontaminering.
• Ingen formalingsmedier, ingen dyser: Alternative disintegrationsteknikker såsom kugle-/perlemaling eller højtrykshomogenisatorer har ulemper. Kugle-/perlemaling kræver anvendelse af formalingsmedier (kugler eller perler), som skal adskilles og rengøres med stor arbejdsindsats. Højtrykshomogenisatorer har dyser, der er tilbøjelige til at tilstoppe. Derimod er ultralydshomogenisatorer nemme at bruge, yderst pålidelige og robuste og kræver meget lidt vedligeholdelse.
• Alsidighed: Den kan anvendes på en bred vifte af materialer, herunder bakterier, planteceller, pattedyrsvæv, alger, svampe osv., hvilket gør den til en alsidig teknik inden for forskellige områder.
  Skalerbarhed: Ultralydsteknikken kan opskaleres til industrielle processer, hvilket gør den velegnet til både laboratorieanvendelser og produktion i stor skala.

Funktionsprincippet bag ultralydsdisintegration og celleopbrydning

Sonikering genererer skiftevis højtryks- og lavtryksbølger i den væske, der udsættes for ultralyd. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølgerne små vakuumbobler i væsken, som kollapser voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Kavitationsboblens implosion skaber kraftige hydrodynamiske forskydningskræfter, som først medfører sonoporation og derefter effektiv opbrydning af cellestrukturer. Intracellulære molekyler og organeller frigives fuldstændigt til opløsningsmidlet.

Ultralydsdisintegration af cellestrukturer

Forskydningskræfterne kan disintegrere fibrøst, celluloseholdigt materiale til fine partikler og bryde cellestrukturens vægge op. Dette frigiver mere af det intracellulære materiale, såsom stivelse eller sukker, til væsken. Derudover brydes cellevægsmaterialet op i små fragmenter.

Denne effekt kan anvendes til fermentering, nedbrydning og andre omdannelsesprocesser for organisk materiale. Efter formaling og findeling gør sonikering mere af det intracellulære materiale, f.eks. stivelse, samt cellevægsfragmenterne tilgængeligt for de enzymer, der omdanner stivelse til sukkerarter. Den øger også det overfladeareal, som enzymerne har adgang til under fortætning eller forsukring. Dette øger typisk hastigheden og udbyttet af gærfermentering og andre omdannelsesprocesser, f.eks. for at øge ethanolproduktionen fra biomasse.

Brug ultralydsdisintegration – pålideligt og effektivt i enhver skala

Sonikatorer fra Hielscher fås med forskellige nominelle effekter og behandlingskapaciteter. Uanset om du ønsker at sonikere små biologiske prøver fra få mikroliter til få liter eller har behov for at behandle store strømme af celler eller biomasse til produktion, vil Hielscher Ultrasonics tilbyde dig den bedst egnede ultralydsdisintegrator til din biologiske anvendelse.

• laboratorieskala til 1mL til ca. 5L, f.eks. UP400St med 22mm sonotrode
• bordapparatskala ved ca. 0,1 til 20L/min, f.eks. UIP1000hdT med 34mm sonotrode og flowcelle
• produktionsskala fra 20L/min, f.eks. UIP4000hdT eller UIP16000hdT

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet i laboratoriestørrelse:

Brug formularen nedenfor, hvis du ønsker flere oplysninger om anvendelsen af ultralydsapparater til disintegration af celler. Vi hjælper dig gerne.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores industrielle ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Litteratur / Referencer

• 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.