Βιοσυνθετική παραγωγή ολιγοσακχαριτών του ανθρώπινου γάλακτος
Η βιοσύνθεση ολιγοσακχαριτών του ανθρώπινου γάλακτος (HMOs) μέσω ζύμωσης ή ενζυμικών αντιδράσεων είναι μια σύνθετη διαδικασία που απαιτεί πόρους και συχνά έχει χαμηλή απόδοση. Η κατεργασία με υπερήχους αυξάνει τη μεταφορά μάζας μεταξύ του υποστρώματος και των κυτταρικών εργοστασίων και διεγείρει την κυτταρική ανάπτυξη και τον μεταβολισμό. Έτσι, η κατεργασία με υπερήχους εντατικοποιεί τη ζύμωση και τις βιοχημικές διεργασίες, με αποτέλεσμα την ταχύτερη και αποδοτικότερη παραγωγή HMOs.
Ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος
Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος (HMOs), γνωστοί και ως γλυκάνες του ανθρώπινου γάλακτος, είναι μόρια σακχάρων που ανήκουν στην ομάδα των ολιγοσακχαριτών. Χαρακτηριστικά παραδείγματα HMOs είναι η 2’-φουκοζυλολακτόζη (2′-FL), η λακτο-N-νεοτετραόζη (LNnT), η 3’-γαλακτοζυλολακτόζη (3′-GL) και η διφουκοζυλολακτόζη (DFL).
Ενώ το ανθρώπινο μητρικό γάλα περιέχει περισσότερες από 150 διαφορετικές δομές HMOs, μόνο η 2′-φουκοζυλολακτόζη (2′-FL) και η λακτο-N-νεοτετραόζη (LNnT) παράγονται επί του παρόντος σε εμπορική κλίμακα και χρησιμοποιούνται ως διατροφικά πρόσθετα στα παρασκευάσματα για βρέφη.
Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος (HMOs) είναι γνωστοί για τη σημασία τους στη βρεφική διατροφή. Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος είναι ένας μοναδικός τύπος θρεπτικών συστατικών, τα οποία δρουν ως πρεβιοτικά, αντιμικροβιακοί παράγοντες που εμποδίζουν την προσκόλληση και ανοσοτροποποιητές στο έντερο του βρέφους και συμβάλλουν ουσιαστικά στην ανάπτυξη του εγκεφάλου. Οι HMOs απαντώνται αποκλειστικά στο ανθρώπινο μητρικό γάλα· τα γάλατα άλλων θηλαστικών (π.χ. αγελάδας, κατσίκας, προβάτου, καμήλας κ.λπ.) δεν περιέχουν αυτές τις συγκεκριμένες μορφές ολιγοσακχαριτών.
Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος είναι το τρίτο σε αφθονία στερεό συστατικό του ανθρώπινου γάλακτος, το οποίο μπορεί να υπάρχει σε διαλυμένη, γαλακτωματοποιημένη ή αιωρούμενη μορφή στο νερό. Η λακτόζη και τα λιπαρά οξέα είναι τα αφθονότερα στερεά συστατικά του ανθρώπινου γάλακτος. Οι HMOs υπάρχουν σε συγκέντρωση 0,35–0,88 ουγγιές (9,9–24,9 g)/ L. Είναι γνωστοί περίπου 200 δομικά διαφορετικοί ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος. Ο κυρίαρχος ολιγοσακχαρίτης στο 80% όλων των γυναικών είναι η 2′-φουκοζυλολακτόζη, η οποία υπάρχει στο ανθρώπινο μητρικό γάλα σε συγκέντρωση περίπου 2,5 g/ L.
Επειδή οι HMOs δεν πέπτονται, δεν συνεισφέρουν θερμίδες στη διατροφή. Ως άπεπτοι υδατάνθρακες, λειτουργούν ως πρεβιοτικά και υφίστανται επιλεκτική ζύμωση από την επιθυμητή εντερική μικροχλωρίδα, ιδίως από τα μπιφιδοβακτήρια.
- προάγουν την ανάπτυξη των βρεφών
- είναι σημαντικοί για την ανάπτυξη του εγκεφάλου
- έχουν αντιφλεγμονώδεις και
- αντιπροσκολλητικές δράσεις στον γαστρεντερικό σωλήνα
- υποστηρίζουν το ανοσοποιητικό σύστημα στους ενήλικες
Ο επεξεργαστής υπερήχων UIP2000hdT αυξάνει τη μεταφορά μάζας και ενεργοποιεί τα κυτταρικά εργοστάσια για υψηλότερες αποδόσεις βιοσυνθετικά παραγόμενων βιολογικών μορίων, όπως οι HMOs
Βιοσύνθεση ολιγοσακχαριτών του ανθρώπινου γάλακτος
Τα κυτταρικά εργοστάσια και τα ενζυμικά / χημειοενζυμικά συστήματα είναι σύγχρονες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση HMOs. Για την παραγωγή HMOs σε βιομηχανική κλίμακα, η ζύμωση με μικροβιακά κυτταρικά εργοστάσια, η βιοχημική σύνθεση και διάφορες ενζυμικές αντιδράσεις αποτελούν εφικτούς τρόπους βιοπαραγωγής HMOs. Για οικονομικούς λόγους, η βιοσύνθεση μέσω μικροβιακών κυτταρικών εργοστασίων είναι επί του παρόντος η μόνη τεχνική που χρησιμοποιείται για τη βιομηχανική παραγωγή HMOs.
Ζύμωση για την παραγωγή HMOs με χρήση μικροβιακών κυτταρικών εργοστασίων
Τα E.coli, Saccharomyces cerevisiae και Lactococcus lactis χρησιμοποιούνται συνήθως ως κυτταρικά εργοστάσια για τη βιοπαραγωγή βιολογικών μορίων όπως οι HMO. Η ζύμωση είναι μια βιοχημική διεργασία που χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς για τη μετατροπή ενός υποστρώματος σε στοχευμένα βιολογικά μόρια. Τα μικροβιακά κυτταρικά εργοστάσια χρησιμοποιούν ως υπόστρωμα απλά σάκχαρα, τα οποία μετατρέπουν σε HMO. Καθώς τα απλά σάκχαρα (π.χ. η λακτόζη) αποτελούν άφθονο και φθηνό υπόστρωμα, η διεργασία βιοσύνθεσης παραμένει οικονομικά αποδοτική.
Ο ρυθμός ανάπτυξης και βιομετατροπής επηρεάζεται κυρίως από τη μεταφορά μάζας των θρεπτικών συστατικών (υποστρώματος) προς τους μικροοργανισμούς. Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας είναι ένας βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη σύνθεση του προϊόντος κατά τη ζύμωση. Είναι ευρέως γνωστό ότι η κατεργασία με υπερήχους προάγει τη μεταφορά μάζας.
Κατά τη ζύμωση, οι συνθήκες στον βιοαντιδραστήρα πρέπει να παρακολουθούνται και να ρυθμίζονται συνεχώς, ώστε τα κύτταρα να μπορούν να αναπτύσσονται όσο το δυνατόν ταχύτερα, προκειμένου στη συνέχεια να παράγουν τα στοχευμένα βιομόρια (π.χ. ολιγοσακχαρίτες όπως οι HMO· ινσουλίνη· ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες). Θεωρητικά, ο σχηματισμός του προϊόντος αρχίζει μόλις η κυτταροκαλλιέργεια αρχίσει να αναπτύσσεται. Ωστόσο, ιδιαίτερα σε γενετικά τροποποιημένα κύτταρα, όπως οι μικροοργανισμοί που έχουν τροποποιηθεί με γενετική μηχανική, συνήθως επάγεται αργότερα με την προσθήκη στο υπόστρωμα μιας χημικής ουσίας που αυξάνει την έκφραση του στοχευμένου βιομορίου. Οι βιοαντιδραστήρες υπερήχων μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια και επιτρέπουν την ειδική διέγερση των μικροβίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ταχύτερη βιοσύνθεση και υψηλότερες αποδόσεις.
Λύση και εκχύλιση με υπερήχους: Η ζύμωση για την παραγωγή σύνθετων HMO ενδέχεται να περιορίζεται από χαμηλούς τίτλους ζύμωσης και από προϊόντα που παραμένουν ενδοκυτταρικά. Η λύση και η εκχύλιση με υπερήχους χρησιμοποιούνται για την απελευθέρωση ενδοκυτταρικού υλικού πριν από τον καθαρισμό και τις κατάντη διεργασίες.
Ζύμωση υποβοηθούμενη από υπερήχους
Ο ρυθμός ανάπτυξης μικροβίων όπως τα Escherichia coli, E.coli τροποποιημένα με γενετική μηχανική, Saccharomyces cerevisiae και Lactococcus lactis μπορεί να αυξηθεί μέσω της αύξησης του ρυθμού μεταφοράς μάζας και της διαπερατότητας του κυτταρικού τοιχώματος με την εφαρμογή ελεγχόμενης κατεργασίας με υπερήχους χαμηλής συχνότητας. Ως ήπια, μη θερμική τεχνική επεξεργασίας, η κατεργασία με υπερήχους ασκεί αμιγώς μηχανικές δυνάμεις στον ζωμό ζύμωσης.
Ακουστική σπηλαίωση: Η αρχή λειτουργίας της κατεργασίας με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση. Ο καθετήρας υπερήχων (ηχοτρόδιο) συζεύγει υπερηχητικά κύματα χαμηλής συχνότητας με το μέσο. Τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται μέσα στο υγρό, δημιουργώντας εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) / χαμηλής πίεσης (αραίωσης). Με τη συμπίεση και την έκταση του υγρού σε εναλλασσόμενους κύκλους, δημιουργούνται μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού. Αυτές οι μικρές φυσαλίδες κενού αυξάνονται σε μέγεθος κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων, μέχρι να φτάσουν σε μέγεθος στο οποίο δεν μπορούν να απορροφήσουν περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο μέγιστης ανάπτυξης, η φυσαλίδα κενού καταρρέει βίαια προς το εσωτερικό της και δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες, γνωστές ως το φαινόμενο της σπηλαίωσης. Στη «θερμή εστία» της σπηλαίωσης μπορούν να παρατηρηθούν μεγάλες διαφορές πίεσης και θερμοκρασίας και έντονες δυνάμεις διάτμησης, με πίδακες υγρού ταχύτητας έως και 280m/sec. Μέσω αυτών των φαινομένων σπηλαίωσης επιτυγχάνεται εκτεταμένη μεταφορά μάζας και δημιουργία πόρων με υπερήχους (διάτρηση των κυτταρικών τοιχωμάτων και των κυτταρικών μεμβρανών). Τα θρεπτικά συστατικά του υποστρώματος μεταφέρονται προς τα ζωντανά ακέραια κύτταρα και στο εσωτερικό τους, ώστε τα κυτταρικά εργοστάσια να τρέφονται με τον βέλτιστο τρόπο και να αυξάνονται οι ρυθμοί ανάπτυξης και μετατροπής. Οι βιοαντιδραστήρες υπερήχων αποτελούν μια απλή, αλλά ιδιαίτερα αποτελεσματική στρατηγική για την επεξεργασία βιομάζας σε μια διεργασία βιοσύνθεσης σε ένα μόνο δοχείο.
Είναι ευρέως γνωστό ότι η ήπια κατεργασία με υπερήχους, όταν ελέγχεται με ακρίβεια, εντατικοποιεί τις διεργασίες ζύμωσης.
Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει «την παραγωγικότητα πολλών βιοδιεργασιών που περιλαμβάνουν ζωντανά κύτταρα μέσω της ενίσχυσης της πρόσληψης υποστρώματος, της ενισχυμένης παραγωγής ή ανάπτυξης μέσω της αύξησης του πορώδους των κυττάρων και, ενδεχομένως, της ενισχυμένης απελευθέρωσης κυτταρικών συστατικών.» (Naveena et al. 2015)
Διαβάστε περισσότερα για τη ζύμωση με υποβοήθηση υπερήχων!
- Αυξημένη απόδοση
- Επιταχυνόμενη ζύμωση
- Διέγερση ειδική για τον τύπο κυττάρου
- Ενισχυμένη πρόσληψη υποστρώματος
- Αυξημένο κυτταρικό πορώδες
- Εύκολος χειρισμός
- Ασφάλεια
- Απλή ενσωμάτωση σε υφιστάμενο εξοπλισμό
- Γραμμική αύξηση κλίμακας
- Επεξεργασία κατά παρτίδες ή εν σειρά
- Γρήγορη απόδοση της επένδυσης
Οι Naveena et al. (2015) διαπίστωσαν ότι η εντατικοποίηση με υπερήχους προσφέρει αρκετά πλεονεκτήματα κατά τη βιοεπεξεργασία, όπως χαμηλό λειτουργικό κόστος σε σύγκριση με άλλες επιλογές επεξεργασίας για την ενίσχυση της διεργασίας, απλότητα χειρισμού και μέτριες απαιτήσεις ισχύος.
Το MultiSonoReactor MSR-4 είναι ένας βιομηχανικός ομογενοποιητής εν σειρά, κατάλληλος για την ενισχυμένη βιοσύνθεση ολιγοσακχαριτών του ανθρώπινου γάλακτος (HMO).
Αντιδραστήρες ζύμωσης με υπερήχους υψηλής απόδοσης
Οι διεργασίες ζύμωσης περιλαμβάνουν ζωντανούς μικροοργανισμούς, όπως βακτήρια ή ζύμες, που λειτουργούν ως κυτταρικά εργοστάσια. Καθώς η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται για την προαγωγή της μεταφοράς μάζας και την αύξηση του ρυθμού ανάπτυξης και μετατροπής των μικροοργανισμών, είναι κρίσιμο να ελέγχεται με ακρίβεια η ένταση των υπερήχων, ώστε να αποφεύγεται η καταστροφή των κυτταρικών εργοστασίων.
Η Hielscher Ultrasonics ειδικεύεται στον σχεδιασμό, την κατασκευή και τη διάθεση συσκευών υπερήχων υψηλής απόδοσης, οι οποίες μπορούν να ελέγχονται και να παρακολουθούνται με ακρίβεια, ώστε να εξασφαλίζονται ανώτερες αποδόσεις ζύμωσης.
Ο έλεγχος της διεργασίας δεν είναι μόνο απαραίτητος για υψηλές αποδόσεις και ανώτερη ποιότητα, αλλά επιτρέπει επίσης την επανάληψη και την αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων. Ειδικά όσον αφορά τη διέγερση των κυτταρικών εργοστασίων, η προσαρμογή των παραμέτρων κατεργασίας με υπερήχους στα συγκεκριμένα κύτταρα είναι απαραίτητη για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων και την αποτροπή της κυτταρικής αποδόμησης. Γι’ αυτό, όλα τα ψηφιακά μοντέλα συσκευών υπερήχων της Hielscher είναι εξοπλισμένα με έξυπνο λογισμικό, το οποίο σας επιτρέπει να ρυθμίζετε, να παρακολουθείτε και να αναθεωρείτε τις παραμέτρους κατεργασίας με υπερήχους. Οι παράμετροι της διεργασίας υπερήχων, όπως το πλάτος ταλάντωσης, η θερμοκρασία, η πίεση, η διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους, οι κύκλοι λειτουργίας και η εισροή ενέργειας, είναι απαραίτητες για την προαγωγή της παραγωγής HMO μέσω ζύμωσης.
Το έξυπνο λογισμικό των συσκευών υπερήχων της Hielscher καταγράφει αυτόματα όλες τις σημαντικές παραμέτρους της διεργασίας στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Η αυτόματη καταγραφή δεδομένων της διεργασίας κατεργασίας με υπερήχους αποτελεί τη βάση για την τυποποίηση της διεργασίας και την αναπαραγωγιμότητα / επαναληψιμότητα, που απαιτούνται για τις Ορθές Πρακτικές Παραγωγής (GMP).
Αντιδραστήρες υπερήχων για ζύμωση
Η Hielscher προσφέρει κεφαλές υπερήχων διαφόρων μεγεθών, μηκών και γεωμετριών, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για επεξεργασία κατά παρτίδες όσο και για επεξεργασία συνεχούς ροής. Οι αντιδραστήρες υπερήχων, γνωστοί και ως βιοαντιδραστήρες υπερήχων, διατίθενται για κάθε όγκο, καλύπτοντας τη βιοεπεξεργασία με υπερήχους από μικρά εργαστηριακά δείγματα έως την πιλοτική παραγωγή και την παραγωγή σε πλήρη εμπορική κλίμακα.
Είναι γνωστό ότι η θέση του ηχοτροδίου υπερήχων στο δοχείο αντίδρασης επηρεάζει την κατανομή της σπηλαίωσης και της μικροροής μέσα στο μέσο. Το ηχοτρόδιο και ο αντιδραστήρας υπερήχων πρέπει να επιλέγονται ανάλογα με τον όγκο του κυτταρικού ζωμού προς επεξεργασία. Παρότι η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να πραγματοποιείται τόσο κατά παρτίδες όσο και σε συνεχή λειτουργία, για μεγάλους όγκους παραγωγής συνιστάται η χρήση εγκατάστασης συνεχούς ροής. Κατά τη διέλευσή του από μια κυψελίδα ροής υπερήχων, όλο το κυτταρικό μέσο δέχεται ακριβώς την ίδια έκθεση στην κατεργασία με υπερήχους, εξασφαλίζοντας την αποτελεσματικότερη επεξεργασία. Η ευρεία γκάμα κεφαλών υπερήχων και αντιδραστήρων με κυψελίδες ροής της Hielscher Ultrasonics επιτρέπει τη συγκρότηση της ιδανικής διάταξης βιοεπεξεργασίας με υπερήχους.
Hielscher Ultrasonics – Από το εργαστήριο στην πιλοτική παραγωγή και στην παραγωγή
Η Hielscher Ultrasonics καλύπτει ολόκληρο το φάσμα του εξοπλισμού υπερήχων, προσφέροντας από συμπαγείς ομογενοποιητές υπερήχων χειρός για την προετοιμασία δειγμάτων έως επιτραπέζια και πιλοτικά συστήματα, καθώς και ισχυρές βιομηχανικές μονάδες υπερήχων που επεξεργάζονται εύκολα φορτία ολόκληρων φορτηγών ανά ώρα. Χάρη στην ευελιξία και τις ποικίλες επιλογές εγκατάστασης και στερέωσης, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher μπορούν να ενσωματωθούν εύκολα σε κάθε είδους αντιδραστήρες παρτίδας, συστήματα τροφοδοτούμενης παρτίδας ή διατάξεις συνεχούς ροής.
Διάφορα εξαρτήματα, καθώς και ειδικά κατασκευασμένα μέρη, επιτρέπουν την ιδανική προσαρμογή της διάταξης υπερήχων σας στις απαιτήσεις της διεργασίας σας.
Κατασκευασμένοι για λειτουργία 24/7 υπό πλήρες φορτίο και για βαριά χρήση σε απαιτητικές συνθήκες, οι επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher είναι αξιόπιστοι και απαιτούν μόνο περιορισμένη συντήρηση.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Συνιστώμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής ισχύος από την εργαστηριακή έως την πιλοτική και τη βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
Στοιχεία που αξίζει να γνωρίζετε
Βιοσύνθεση με χρήση κυτταρικών εργοστασίων
Ένα μικροβιακό κυτταρικό εργοστάσιο είναι μια μέθοδος βιομηχανικής που αξιοποιεί μικροβιακά κύτταρα ως μονάδα παραγωγής. Μέσω της γενετικής μηχανικής των μικροβίων, τροποποιείται το DNA μικροοργανισμών όπως βακτήρια, ζύμες, μύκητες, κύτταρα θηλαστικών ή φύκη, μετατρέποντας τα μικρόβια σε κυτταρικά εργοστάσια. Τα κυτταρικά εργοστάσια χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή υποστρωμάτων σε πολύτιμα βιολογικά μόρια, τα οποία χρησιμοποιούνται π.χ. στην παραγωγή τροφίμων, φαρμάκων, χημικών και καυσίμων. Διαφορετικές στρατηγικές βιοσύνθεσης που βασίζονται σε κυτταρικά εργοστάσια αποσκοπούν στην παραγωγή ενδογενών μεταβολιτών, στην έκφραση ετερόλογων βιοσυνθετικών οδών ή στην έκφραση πρωτεϊνών.
Τα κυτταρικά εργοστάσια μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε για τη σύνθεση ενδογενών μεταβολιτών είτε για την έκφραση ετερόλογων βιοσυνθετικών οδών είτε για την έκφραση πρωτεϊνών.
Βιοσύνθεση ενδογενών μεταβολιτών
Ως ενδογενείς μεταβολίτες ορίζονται τα βιολογικά μόρια που παράγουν φυσικά τα κύτταρα που χρησιμοποιούνται ως κυτταρικό εργοστάσιο. Τα κυτταρικά εργοστάσια παράγουν αυτά τα βιολογικά μόρια είτε ενδοκυτταρικά είτε ως εκκρινόμενες ουσίες. Το δεύτερο προτιμάται, καθώς διευκολύνει τον διαχωρισμό και τον καθαρισμό των επιδιωκόμενων ενώσεων. Παραδείγματα ενδογενών μεταβολιτών είναι τα αμινοξέα και τα νουκλεϊκά οξέα, τα αντιβιοτικά, οι βιταμίνες, τα ένζυμα, οι βιοδραστικές ενώσεις και οι πρωτεΐνες που παράγονται μέσω αναβολικών οδών του κυττάρου.
Ετερόλογες βιοσυνθετικές οδοί
Κατά την προσπάθεια παραγωγής μιας ενδιαφέρουσας ένωσης, μία από τις σημαντικότερες αποφάσεις είναι η επιλογή μεταξύ της παραγωγής στον φυσικό ξενιστή και της βελτιστοποίησής του ή της μεταφοράς της οδού σε άλλον καλά μελετημένο ξενιστή. Εάν ο αρχικός ξενιστής μπορεί να προσαρμοστεί σε μια βιομηχανική διεργασία ζύμωσης και αυτό δεν συνεπάγεται κινδύνους για την υγεία (π.χ. παραγωγή τοξικών παραπροϊόντων), αυτή μπορεί να είναι μια προτιμώμενη στρατηγική (όπως συνέβη π.χ. με την πενικιλίνη). Ωστόσο, σε πολλές σύγχρονες περιπτώσεις, οι δυνατότητες που προσφέρει η χρήση ενός κυτταρικού εργοστασίου προτιμώμενου στη βιομηχανία και των σχετικών διεργασιών πλατφόρμας υπερτερούν της δυσκολίας μεταφοράς της οδού.
Έκφραση πρωτεϊνών
Η έκφραση πρωτεϊνών μπορεί να επιτευχθεί με ομόλογους και ετερόλογους τρόπους. Στην ομόλογη έκφραση, ένα γονίδιο που υπάρχει φυσικά σε έναν οργανισμό υπερεκφράζεται. Μέσω αυτής της υπερέκφρασης, μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση παραγωγής ενός συγκεκριμένου βιολογικού μορίου. Για την ετερόλογη έκφραση, ένα συγκεκριμένο γονίδιο μεταφέρεται σε ένα κύτταρο ξενιστή στο οποίο το γονίδιο δεν υπάρχει φυσικά. Με τη χρήση κυτταρικής μηχανικής και τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA, το γονίδιο εισάγεται στο DNA του ξενιστή, ώστε το κύτταρο ξενιστής να παράγει (μεγάλες) ποσότητες μιας πρωτεΐνης που δεν θα παρήγαγε φυσικά. Η έκφραση πρωτεϊνών πραγματοποιείται σε ποικίλους ξενιστές, από βακτήρια, π.χ. E. coli και Bacillis subtilis, ζύμες, π.χ. Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, και νηματοειδείς μύκητες, π.χ. A. niger, έως κύτταρα που προέρχονται από πολυκύτταρους οργανισμούς, όπως θηλαστικά και έντομα. Αναρίθμητες πρωτεΐνες παρουσιάζουν μεγάλο εμπορικό ενδιαφέρον, μεταξύ των οποίων ένζυμα μαζικής παραγωγής, σύνθετα βιοφαρμακευτικά προϊόντα, διαγνωστικά και ερευνητικά αντιδραστήρια. (πρβλ. A.M. Davy et al. 2017)