Ultraschall-gestützter Zellaufschluss

Ultraschall ist ein wirksames Mittel zum Aufbrechen von Zellstrukturen. Daher werden Ultraschallgeräte in Labors häufig eingesetzt, um Zellen aufzubrechen und intrazelluläre Moleküle, Proteine und Organellen für Forschungs- und Analysezwecke zu extrahieren. Im industriellen Maßstab wird die Desintegration und Lyse mit Ultraschall eingesetzt, um Moleküle aus Zellfabriken zu isolieren oder die Verdauung von Biomasse zu fördern.

Was ist Ultraschall-Desintegration?

Die Ultraschalldesintegration, auch bekannt als Ultraschallhomogenisierung, ist ein Verfahren, bei dem hochintensive, niederfrequente Ultraschallwellen eingesetzt werden, um Zellwände aufzubrechen und Molekularstrukturen in einem flüssigen Medium zu zerstören. Diese Technik wird häufig in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen zu verschiedenen Zwecken eingesetzt:

Zellaufschluss: Die Ultraschalldesintegration wird in der Zell- und Molekularbiologie häufig eingesetzt, um Zellmembranen aufzubrechen und Zellinhalte wie Proteine, Nukleinsäuren und Organellen freizusetzen. Dies ist nützlich, um intrazelluläre Bestandteile für Analysen zu extrahieren oder um Zellen in mikrobiologischen und biotechnologischen Prozessen zu lysieren.

• Homogenisierung: Es hilft bei der gleichmäßigen Vermischung von Komponenten in einer Probe, insbesondere wenn es sich um nicht mischbare Flüssigkeiten handelt oder wenn versucht wird, eine gleichmäßige Mischung von Materialien zu erreichen.
• Extraktion von Proteinen: In der Biologie, der Proteomik und den Biowissenschaften, ist die Analyse von Proteinen eine sehr häufige Aufgabe. Bevor die Proteine in Assays analysiert werden können, müssen sie aus dem Zellinneren extrahiert und isoliert werden. Die am weitesten verbreitete Methode zur Proteinextraktion ist der Sonicator.
• DNA-Fragmentierung: DNA und RNA sind verschiedene Arten von Nukleinsäuren, die genetische Informationen in Zellen speichern und kodieren. Bei der Analyse von DNA und RNA müssen die langen Stränge manchmal fragmentiert werden, ein Prozess, der durch Beschallung zuverlässig und effizient durchgeführt werden kann.
• Probenvorbereitung: In der Forschung und Analyse ist die Probenvorbereitung ein gängiges Verfahren vor verschiedenen Analysetechniken. Die Ultraschalldesintegration kann dazu beitragen, Proben aufzulösen oder zu dispergieren, was die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Analysen verbessern kann.

Vorteile der Ultraschalldesintegration

Warum ein Sonicator für die Desintegration, den Zellaufschluss und die Extraktion von intrazellulären Molekülen und Proteinen? Ein Sonicator oder Ultraschall-Dismembrator bietet zahlreiche Vorteile, die die Sonikation zur überlegenen Technologie im Vergleich zu anderen Aufschlussmethoden wie Hochdruckhomogenisierung, Kugelmahlen oder Mikrofluidisierung machen.

• Nicht-thermisch: Die Ultraschallzerkleinerung ist ein nicht-thermisches Verfahren, d. h., es ist nicht auf Wärme angewiesen, um Materialien zu zersetzen. Dies ist vorteilhaft für Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen hitzeempfindliche Proben zersetzen könnten.
• Präzise und kontrolliert: Der Prozess kann mit hoher Präzision gesteuert werden, so dass ein gezieltes Aufbrechen, Mischen oder Zerkleinern der Partikel möglich ist.
• Schnell und effizient: Die Ultraschallbehandlung ist im Allgemeinen eine schnelle und effiziente Methode, die sich für Anwendungen mit hohem Durchsatz eignet.
• Geringerer Einsatz von Chemikalien: In vielen Fällen kann die Ultraschallzerkleinerung den Bedarf an scharfen Chemikalien oder organischen Lösungsmitteln verringern, was umweltfreundlich sein kann und das Risiko einer chemischen Kontamination reduziert.
• Keine Fräsmedien, keine Düsen: Alternative Zerkleinerungstechniken wie das Kugel-/Kugelmahlen oder Hochdruckhomogenisatoren sind mit Nachteilen verbunden. Das Kugelmahlen erfordert die Verwendung von Mahlkörpern (Perlen oder Perlen), die mühsam getrennt und gereinigt werden müssen. Hochdruckhomogenisatoren haben Düsen, die verstopfungsanfällig sind. Im Gegensatz dazu sind Ultraschall-Homogenisatoren einfach zu bedienen, sehr zuverlässig und robust und erfordern nur wenig Wartung.
• Vielseitigkeit: Sie kann auf eine breite Palette von Materialien angewendet werden, darunter Bakterien, Pflanzenzellen, Säugetiergewebe, Algen, Pilze usw., was sie zu einer vielseitigen Technik in verschiedenen Bereichen macht.
  Skalierbarkeit: Die Ultraschalltechnik kann für industrielle Prozesse skaliert werden, so dass sie sich sowohl für Labor- als auch für großtechnische Anwendungen eignet.

Das Arbeitsprinzip der Ultraschalldesintegration und des Zellaufschlusses

Die Ultraschallbehandlung erzeugt in der exponierten Flüssigkeit abwechselnd Hoch- und Niederdruckwellen. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit, die während eines Hochdruckzyklus heftig zusammenbrechen. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Die Implosion der Kavitationsblase verursacht starke hydrodynamische Scherkräfte, die zunächst eine Sonoporation und anschließend eine wirksame Zerstörung der Zellstrukturen bewirken. Intrazelluläre Moleküle und Organellen werden vollständig in das Lösungsmittel freigesetzt.

Zelldesintegration mittels Ultraschall

Die Scherkräfte können faseriges, zellulosehaltiges Material in feine Partikel zersetzen und die Wände der Zellstruktur aufbrechen. Dadurch wird mehr intrazelluläres Material, wie Stärke oder Zucker, in die Flüssigkeit freigesetzt. Außerdem wird das Zellwandmaterial in kleine Trümmerteile zerlegt.

Dieser Effekt kann für die Fermentation, die Verdauung und andere Umwandlungsprozesse von organischem Material genutzt werden. Nach dem Mahlen und Zerkleinern wird durch die Ultraschallbehandlung ein größerer Teil des intrazellulären Materials, z. B. Stärke, sowie der Zellwandreste für die Enzyme verfügbar, die die Stärke in Zucker umwandeln. Außerdem wird die Oberfläche vergrößert, die den Enzymen bei der Verflüssigung oder Verzuckerung zur Verfügung steht. Dies erhöht in der Regel die Geschwindigkeit und den Ertrag der Hefegärung und anderer Umwandlungsprozesse, z. B. zur Steigerung der Ethanolproduktion aus Biomasse.

Einsatz von Ultraschall-Desintegration – Zuverlässig und effizient in jeder Größenordnung

Hielscher Ultraschallgeräte gibt es mit unterschiedlichen Leistungen und Verarbeitungskapazitäten. Ob Sie kleine biologische Proben von wenigen Mikrolitern bis zu einigen Litern beschallen wollen oder große Zell- oder Biomasseströme für die Produktion aufbereiten müssen, Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen den passenden Ultraschall-Dismembrator für Ihre biologische Anwendung.

• Laborwaage für 1mL bis ca. 5L z.B. UP400St mit 22-mm-Sonotrode
• Tischwaage bei ca. 0,1 bis 20L/min z.B. UIP1000hdT mit 34-mm-Sonotrode und Durchflusszelle
• Produktionsmaßstab ab 20L/min z.B. UIP4000hdT oder UIP16000hdT

Die nachstehende Tabelle gibt Ihnen einen Hinweis auf die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Labor-Ultraschallgeräte:

Bitte benutzen Sie das untenstehende Formular, wenn Sie weitere Informationen über den Einsatz von Ultraschallgeräten zur Zersetzung von Zellen erhalten möchten. Wir helfen Ihnen gerne weiter.

Die nachstehende Tabelle gibt Ihnen einen Hinweis auf die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Industrie-Ultraschallgeräte:

Literatur / Literaturhinweise