Zellaufschluss mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Verfahren zur Desintegration von Zellstrukturen. Daher werden Ultraschallgeräte in Laboren häufig eingesetzt, um Zellen aufzuschließen und intrazelluläre Moleküle, Proteine und Organellen für Forschung und Analyse zu extrahieren. Im industriellen Maßstab werden Ultraschalldesintegration und Lyse eingesetzt, um Moleküle aus Zellfabriken zu isolieren oder den Abbau von Biomasse zu fördern.

Was ist Ultraschalldesintegration?

Die Ultraschalldesintegration, auch als Ultraschallhomogenisierung bezeichnet, ist ein Verfahren, das Ultraschallwellen hoher Intensität und niedriger Frequenz nutzt, um Zellwände aufzubrechen und molekulare Strukturen in einem flüssigen Medium zu zerstören. Diese Technik wird häufig in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen für mehrere Zwecke eingesetzt:

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

• Homogenisierung: Sie unterstützt die gleichmäßige Durchmischung der Bestandteile einer Probe, insbesondere bei nicht mischbaren Flüssigkeiten oder wenn eine einheitliche Materialmischung erzielt werden soll.
• Proteinextraktion: In der Biologie, der Proteomik und den Biowissenschaften ist die Analyse von Proteinen eine sehr häufige Aufgabe. Bevor Proteine in Assays analysiert werden können, müssen sie aus dem Zellinneren extrahiert und isoliert werden. Die Ultraschallbehandlung ist die am häufigsten eingesetzte Methode zur Proteinextraktion.
• DNA-Fragmentierung: DNA und RNA sind unterschiedliche Arten von Nukleinsäuren, die genetische Informationen in Zellen speichern und codieren. Bei der Analyse von DNA und RNA müssen die langen Stränge mitunter fragmentiert werden. Dieser Vorgang lässt sich durch Ultraschallbehandlung zuverlässig und effizient durchführen.
• Probenvorbereitung: In Forschung und Analyse ist die Probenvorbereitung ein übliches Verfahren vor dem Einsatz verschiedener Analysetechniken. Die Ultraschalldesintegration kann dabei helfen, Proben zu lösen oder zu dispergieren, wodurch die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von Analysen verbessert werden können.

Vorteile der Ultraschalldesintegration

Warum sollte ein Ultraschallgerät mit Sonotrode zur Desintegration, zum Zellaufschluss und zur Extraktion intrazellulärer Moleküle und Proteine eingesetzt werden? Ein Ultraschallgerät beziehungsweise Ultraschalldesintegrator bietet zahlreiche Vorteile, die die Ultraschallbehandlung im Vergleich zu anderen Desintegrationsverfahren wie Hochdruckhomogenisierung, Kugelmahlen oder Mikrofluidisierung zur überlegenen Technologie machen.

• Nichtthermisch: Die Ultraschalldesintegration ist ein nichtthermisches Verfahren. Das bedeutet, dass sie für den Aufschluss von Materialien nicht auf Wärme angewiesen ist. Dies ist bei Anwendungen vorteilhaft, bei denen hohe Temperaturen wärmeempfindliche Proben schädigen könnten.
• Präzise und kontrolliert: Der Prozess lässt sich mit hoher Präzision steuern und ermöglicht so einen gezielten Aufschluss, eine gezielte Durchmischung oder eine gezielte Verringerung der Partikelgröße.
• Schnell und effizient: Die Ultraschallbehandlung ist im Allgemeinen ein schnelles und effizientes Verfahren und eignet sich daher für Anwendungen mit hohem Durchsatz.
• Geringerer Chemikalieneinsatz: In vielen Fällen kann die Ultraschalldesintegration den Bedarf an aggressiven Chemikalien oder organischen Lösungsmitteln verringern. Dies kann die Umwelt schonen und das Risiko einer chemischen Kontamination reduzieren.
• Keine Mahlkörper, keine Düsen: Alternative Desintegrationstechniken wie das Mahlen in Kugel- oder Perlmühlen oder der Einsatz von Hochdruckhomogenisatoren haben Nachteile. Das Mahlen in Kugel- oder Perlmühlen erfordert Mahlkörper wie Kugeln oder Perlen, die aufwendig abgetrennt und gereinigt werden müssen. Hochdruckhomogenisatoren besitzen Düsen, die zum Verstopfen neigen. Ultraschallhomogenisatoren hingegen sind einfach zu bedienen, äußerst zuverlässig und robust und benötigen nur sehr wenig Wartung.
• Vielseitigkeit: Das Verfahren kann bei einer Vielzahl von Materialien eingesetzt werden, darunter Bakterien, Pflanzenzellen, Säugetiergewebe, Algen, Pilze usw. Dadurch ist es eine vielseitige Technik für verschiedene Bereiche.
  Skalierbarkeit: Die Ultraschalltechnik lässt sich für industrielle Prozesse auf größere Maßstäbe übertragen und eignet sich daher sowohl für Laboranwendungen als auch für die Produktion im großen Maßstab.

Das Funktionsprinzip der Ultraschalldesintegration und des Zellaufschlusses

Die Ultraschallbehandlung erzeugt in der behandelten Flüssigkeit abwechselnd Hochdruck- und Niederdruckwellen. Während der Niederdruckphase erzeugen die Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit, die während einer Hochdruckphase heftig kollabieren. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Die Implosion der Kavitationsblase verursacht starke hydrodynamische Scherkräfte, die zunächst zur Sonoporation und anschließend zum effizienten Aufschluss der Zellstrukturen führen. Intrazelluläre Moleküle und Organellen werden vollständig in das Lösungsmittel freigesetzt.

Ultraschalldesintegration von Zellstrukturen

Die Scherkräfte können faseriges, cellulosehaltiges Material in feine Partikel zerlegen und die Wände der Zellstruktur aufbrechen. Dadurch wird mehr intrazelluläres Material wie Stärke oder Zucker in die Flüssigkeit freigesetzt. Darüber hinaus wird das Zellwandmaterial in kleine Bruchstücke zerlegt.

Dieser Effekt kann für die Fermentation, den Abbau und andere Umwandlungsprozesse organischer Stoffe genutzt werden. Nach dem Mahlen und Zerkleinern macht die Ultraschallbehandlung mehr intrazelluläres Material, beispielsweise Stärke, sowie Zellwandfragmente für die Enzyme zugänglich, die Stärke in Zucker umwandeln. Sie vergrößert außerdem die Oberfläche, die den Enzymen während der Verflüssigung oder Verzuckerung zur Verfügung steht. Dies erhöht in der Regel die Geschwindigkeit und die Ausbeute der Hefegärung und anderer Umwandlungsprozesse, beispielsweise zur Steigerung der Ethanolproduktion aus Biomasse.

Ultraschalldesintegration einsetzen – zuverlässig und effizient in jedem Maßstab

Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind mit unterschiedlichen Leistungen und Verarbeitungskapazitäten erhältlich. Ob Sie kleine biologische Proben von wenigen Mikrolitern bis zu einigen Litern beschallen möchten oder große Zell- oder Biomasseströme für die Produktion verarbeiten müssen: Hielscher Ultrasonics bietet Ihnen den am besten geeigneten Ultraschalldesintegrator für Ihre biologische Anwendung.

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

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Labor-Ultraschallgeräte:

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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer industriellen Ultraschallgeräte:

Literatur / Quellen

• 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.