Βιοσυνθετική παραγωγή ολιγοσακχαριτών ανθρώπινου γάλακτος

Η βιοσύνθεση των ολιγοσακχαριτών του ανθρώπινου γάλακτος (HMO) μέσω ζύμωσης ή ενζυματικών αντιδράσεων είναι μια πολύπλοκη, καταναλωτική και συχνά χαμηλής απόδοσης διαδικασία. Υπερήχους αυξάνει τη μεταφορά μάζας μεταξύ του υποστρώματος και των κυτταρικών εργοστασίων ans διεγείρει την κυτταρική ανάπτυξη και το μεταβολισμό. Με αυτόν τον τρόπο, κατεργασία με υπερήχους εντείνει τη ζύμωση και τις βιοχημικές διεργασίες με αποτέλεσμα την επιτάχυνση και την αποτελεσματικότερη παραγωγή HMO.

ολιγοσακχαρίτες ανθρώπινου γάλακτος

Οι ολιγοσακχαρίτες ανθρώπινου γάλακτος (HMO), επίσης γνωστοί ως γλυκάνες ανθρώπινου γάλακτος, είναι μόρια σακχάρου, που αποτελούν μέρος της ομάδας ολιγοσακχαριτών. Εξέχοντα παραδείγματα HMO περιλαμβάνουν 2'-φουκοζυλολακτόζη (2′-FL), λακτο-N-νεοτετραόζη (LNnT), 3'-γαλακτοσυλλακτόζη (3′-GL), και διφουκοζυλολακτόζη (DFL).
Ενώ το ανθρώπινο μητρικό γάλα αποτελείται από περισσότερες από 150 διαφορετικές δομές HMO, μόνο η 2′-φουκοζυλολακτόζη (2′-FL) και η λακτο-N-νεοτετραόζη (LNnT) παράγονται επί του παρόντος σε εμπορικό επίπεδο και χρησιμοποιούνται ως θρεπτικά πρόσθετα σε παρασκευάσματα για βρέφη.
Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος (HMO) είναι γνωστοί για τη σημασία τους στη διατροφή των μωρών. Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος είναι ένας μοναδικός τύπος θρεπτικών συστατικών, τα οποία δρουν ως πρεβιοτικά, αντικολλητικά αντιμικροβιακά και ανοσοτροποποιητικά στο έντερο του βρέφους και συμβάλλουν ουσιαστικά στην ανάπτυξη του εγκεφάλου. Οι HMO βρίσκονται αποκλειστικά στο ανθρώπινο μητρικό γάλα. Άλλα γάλατα θηλαστικών (π.χ. αγελαδινό, κατσικίσιο, πρόβειο, καμήλα κ.λπ.) δεν έχουν αυτή τη συγκεκριμένη μορφή ολιγοσακχαριτών.
Οι ολιγοσακχαρίτες του ανθρώπινου γάλακτος είναι το τρίτο πιο άφθονο στερεό συστατικό στο ανθρώπινο γάλα, το οποίο μπορεί να υπάρχει είτε σε διαλυμένη είτε σε γαλακτωματοποιημένη ή αιωρούμενη μορφή στο νερό. Η λακτόζη και τα λιπαρά οξέα είναι τα πιο άφθονα στερεά που βρίσκονται στο ανθρώπινο γάλα. Οι HMO είναι παρόντες σε συγκέντρωση 0,35-0,88 ουγγιές (9,9-24,9 g) / L. Περίπου 200 δομικά διαφορετικοί ολιγοσακχαρίτες ανθρώπινου γάλακτος είναι γνωστοί. Ο κυρίαρχος ολιγοσακχαρίτης στο 80% όλων των γυναικών είναι 2′-φουκοζυλολακτόζη, η οποία υπάρχει στο ανθρώπινο μητρικό γάλα σε συγκέντρωση περίπου 2,5 g/ L.
Δεδομένου ότι οι HMO δεν αφομοιώνονται, δεν συμβάλλουν θερμιδικά στη διατροφή. Όντας άπεπτοι υδατάνθρακες, λειτουργούν ως πρεβιοτικά και ζυμώνονται επιλεκτικά από την επιθυμητή μικροχλωρίδα του εντέρου, ειδικά τα bifidobacteria.

Βιοσύνθεση ολιγοσακχαριτών ανθρώπινου γάλακτος

Τα εργοστάσια κυττάρων και τα ενζυματικά / χημειο-ενζυματικά συστήματα είναι σύγχρονες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για τη σύνθεση των HMO. Για την παραγωγή HMO σε βιομηχανική κλίμακα, η ζύμωση εργοστασίων μικροβιακών κυττάρων, η βιοχημική σύνθεση και οι διαφορετικές ενζυματικές αντιδράσεις είναι εφικτοί τρόποι βιοπαραγωγής HMO. Για οικονομικούς λόγους, η βιοσύνθεση μέσω εργοστασίων μικροβιακών κυττάρων είναι σήμερα η μόνη τεχνική που χρησιμοποιείται σε επίπεδο βιομηχανικής παραγωγής των HMO.

Ζύμωση HMOs χρησιμοποιώντας εργοστάσια μικροβιακών κυττάρων

Τα E.coli, Saccharomyces cerevisiae και Lactococcus lactis χρησιμοποιούνται συνήθως κυτταρικά εργοστάσια που χρησιμοποιούνται για τη βιοπαραγωγή βιολογικών μορίων όπως τα HMO. Η ζύμωση είναι μια βιοχημική διαδικασία που χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς για να μετατρέψει ένα υπόστρωμα σε στοχευμένα βιολογικά μόρια. Τα εργοστάσια μικροβιακών κυττάρων χρησιμοποιούν απλά σάκχαρα ως υπόστρωμα, τα οποία μετατρέπουν σε HMO. Δεδομένου ότι τα απλά σάκχαρα (π.χ. λακτόζη) είναι ένα άφθονο, φθηνό υπόστρωμα, αυτό διατηρεί τη διαδικασία βιοσύνθεσης οικονομικά αποδοτική.
Ο ρυθμός ανάπτυξης και βιομετατροπής επηρεάζεται κυρίως από τη μαζική μεταφορά θρεπτικών συστατικών (υπόστρωμα) στους μικροοργανισμούς. Ο ρυθμός μεταφοράς μάζας είναι ένας κύριος παράγοντας που επηρεάζει τη σύνθεση του προϊόντος κατά τη διάρκεια της ζύμωσης. Υπερήχους είναι γνωστό ότι προωθεί τη μαζική μεταφορά.
Κατά τη διάρκεια της ζύμωσης, οι συνθήκες στον βιοαντιδραστήρα πρέπει να παρακολουθούνται και να ρυθμίζονται συνεχώς, έτσι ώστε τα κύτταρα να μπορούν να αναπτυχθούν όσο το δυνατόν γρηγορότερα για να παράγουν στη συνέχεια τα στοχευόμενα βιομόρια (π.χ. ολιγοσακχαρίτες όπως HMO, ινσουλίνη, ανασυνδυασμένες πρωτεΐνες). Θεωρητικά, ο σχηματισμός του προϊόντος ξεκινά μόλις αρχίσει να αναπτύσσεται η κυτταρική καλλιέργεια. Ωστόσο, ειδικά σε γενετικά τροποποιημένα κύτταρα, όπως οι τροποποιημένοι μικροοργανισμοί, συνήθως προκαλείται αργότερα με την προσθήκη μιας χημικής ουσίας στο υπόστρωμα, η οποία ρυθμίζει προς τα πάνω την έκφραση του στοχευόμενου βιομορίου. Οι υπερηχητικοί βιοαντιδραστήρες (sono-βιοαντιδραστήρας) μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια και να επιτρέψουν την ειδική διέγερση των μικροβίων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια επιταχυνόμενη βιοσύνθεση και υψηλότερες αποδόσεις.
Λύση και εκχύλιση με υπερήχους: Η ζύμωση σύνθετων HMO μπορεί να περιορίζεται από τίτλους χαμηλής ζύμωσης και προϊόντα που παραμένουν ενδοκυτταρικά. Υπερήχων λύση και εκχύλιση χρησιμοποιείται για την απελευθέρωση ενδοκυτταρικού υλικού πριν από τον καθαρισμό και κατάντη διαδικασίες.

Υπερήχων προωθείται ζύμωση

Ο ρυθμός ανάπτυξης μικροβίων όπως Escherichia coli, μηχανική E.coli, Saccharomyces cerevisiae και Lactococcus lactis μπορεί να επιταχυνθεί με την αύξηση του ρυθμού μεταφοράς μάζας και της διαπερατότητας του κυτταρικού τοιχώματος με την εφαρμογή ελεγχόμενης υπερήχων χαμηλής συχνότητας. Ως ήπια, μη θερμική τεχνική επεξεργασίας, υπερήχους εφαρμόζει καθαρά μηχανικές δυνάμεις στο ζωμό ζύμωσης.
Ακουστική σπηλαίωση: Η αρχή λειτουργίας της κατεργασίας με υπερήχους βασίζεται στην ακουστική σπηλαίωση. Ο υπερηχητικός καθετήρας (sonotrode) συνδέει κύματα υπερήχων χαμηλής συχνότητας στο μέσο. Τα κύματα υπερήχων ταξιδεύουν μέσω του υγρού δημιουργώντας εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) / χαμηλής πίεσης (αραίωσης). Με τη συμπίεση και το τέντωμα του υγρού σε εναλλασσόμενους κύκλους, δημιουργούνται μικρές φυσαλίδες κενού. Αυτές οι μικρές φυσαλίδες κενού αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους μέχρι να φτάσουν σε ένα μέγεθος όπου δεν μπορούν να απορροφήσουν περαιτέρω ενέργεια. Σε αυτό το σημείο μέγιστης ανάπτυξης, η φυσαλίδα κενού εκρήγνυται βίαια και δημιουργεί τοπικά ακραίες συνθήκες, γνωστές ως φαινόμενο της σπηλαίωσης. Στο σπηλαιωτικό "θερμό σημείο", μπορούν να παρατηρηθούν διαφορές υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας και έντονες δυνάμεις διάτμησης με πίδακες υγρού έως 280m / sec. Με αυτά τα αποτελέσματα σπηλαίωσης, επιτυγχάνεται πλήρης μεταφορά μάζας και sonoporation (η διάτρηση των κυτταρικών τοιχωμάτων και των κυτταρικών μεμβρανών). Τα θρεπτικά συστατικά του υποστρώματος επιπλέουν προς και μέσα στα ζωντανά ολόκληρα κύτταρα, έτσι ώστε τα εργοστάσια κυττάρων να τρέφονται βέλτιστα και να επιταχύνεται η ανάπτυξη καθώς και οι ρυθμοί μετατροπής. Οι υπερηχητικοί βιοαντιδραστήρες είναι μια απλή, αλλά εξαιρετικά αποτελεσματική στρατηγική για την επεξεργασία βιομάζας σε μια διαδικασία βιοσύνθεσης ενός δοχείου.
Μια επακριβώς ελεγχόμενη, ήπια υπερήχηση είναι γνωστό ότι εντείνει τις διαδικασίες ζύμωσης.
Κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει "την παραγωγικότητα πολλών βιοδιεργασιών που περιλαμβάνουν ζωντανά κύτταρα μέσω της ενίσχυσης της πρόσληψης υποστρώματος, ενισχυμένη παραγωγή ή ανάπτυξη αυξάνοντας το πορώδες των κυττάρων, και ενδεχομένως ενισχυμένη απελευθέρωση των κυτταρικών συστατικών." (Naveena et al. 2015)
Διαβάστε περισσότερα σχετικά με υπερήχων υποβοηθούμενη ζύμωση!

Naveena et al. (2015) διαπίστωσε ότι η εντατικοποίηση υπερήχων προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα κατά τη διάρκεια της βιοεπεξεργασίας, συμπεριλαμβανομένου του χαμηλού λειτουργικού κόστους σε σύγκριση με άλλες επιλογές θεραπείας ενίσχυσης, απλότητα λειτουργίας και μέτριες απαιτήσεις ισχύος.

Αντιδραστήρες ζύμωσης υπερήχων υψηλής απόδοσης

Οι διαδικασίες ζύμωσης περιλαμβάνουν ζωντανούς μικροοργανισμούς όπως βακτήρια ή ζυμομύκητες, οι οποίοι λειτουργούν ως εργοστάσια κυττάρων. Ενώ η υπερήχηση εφαρμόζεται για την προώθηση της μεταφοράς μάζας και την αύξηση της ανάπτυξης και του ρυθμού μετατροπής των μικροοργανισμών, είναι ζωτικής σημασίας να ελέγχεται η ένταση των υπερήχων ακριβώς για να αποφευχθεί η καταστροφή των κυτταρικών εργοστασίων.
Hielscher Υπέρηχοι είναι ειδικός στο σχεδιασμό, κατασκευή και διανομή υπερήχων υψηλής απόδοσης, η οποία μπορεί να ελεγχθεί με ακρίβεια και να παρακολουθείται για να εξασφαλίσει ανώτερες αποδόσεις ζύμωσης.

Ο έλεγχος της διαδικασίας δεν είναι μόνο απαραίτητος για υψηλές αποδόσεις και ανώτερη ποιότητα, αλλά επιτρέπει την επανάληψη και αναπαραγωγή των αποτελεσμάτων. Ειδικά όταν ist πρόκειται για τη διέγερση των κυτταρικών εργοστασίων, η κυτταρική ειδική προσαρμογή των παραμέτρων υπερήχων είναι απαραίτητη για την επίτευξη υψηλών αποδόσεων και για την πρόληψη της υποβάθμισης των κυττάρων. Ως εκ τούτου, όλα τα ψηφιακά μοντέλα των υπερήχων Hielscher είναι εξοπλισμένα με έξυπνο λογισμικό, το οποίο σας επιτρέπει να προσαρμόζετε, να παρακολουθείτε, και να αναθεωρείτε παραμέτρους υπερήχων. Οι παράμετροι διαδικασίας υπερήχων όπως το πλάτος, η θερμοκρασία, η πίεση, η διάρκεια υπερήχων, οι κύκλοι λειτουργίας και η εισροή ενέργειας είναι απαραίτητες για την προώθηση της παραγωγής HMO μέσω ζύμωσης.
Το έξυπνο λογισμικό της Hielscher ultrasonicators καταγράφει αυτόματα όλες τις σημαντικές παραμέτρους της διαδικασίας στην ενσωματωμένη κάρτα SD. Η αυτόματη καταγραφή δεδομένων της διαδικασίας υπερήχων είναι το θεμέλιο για την τυποποίηση της διαδικασίας και την αναπαραγωγιμότητα / επαναληψιμότητα, που απαιτούνται για τις ορθές παρασκευαστικές πρακτικές (GMP).

Υπερήχων πρυτάνεις για ζύμωση

Hielscher προσφέρει υπερήχων ανιχνευτές διαφόρων μεγεθών, μήκος και γεωμετρίες, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για παρτίδα, καθώς και συνεχή ροή-μέσω θεραπείες. Υπερήχων αντιδραστήρες, επίσης γνωστή ως sono-βιοαντιδραστήρες, είναι διαθέσιμα για οποιοδήποτε όγκο που καλύπτει την υπερήχων βιοεπεξεργασία από μικρά εργαστηριακά δείγματα σε πιλοτικό και πλήρως εμπορικό επίπεδο παραγωγής.
Είναι γνωστό ότι η θέση του υπερηχητικού sonotrode στο δοχείο αντίδρασης επηρεάζει την κατανομή της σπηλαίωσης και της μικρο-ροής εντός του μέσου. Ο αντιδραστήρας Sonotrode και υπερήχων πρέπει να επιλέγεται σύμφωνα με τον όγκο επεξεργασίας του κυτταρικού ζωμού. Ενώ η υπερήχηση μπορεί να πραγματοποιηθεί σε παρτίδα καθώς και σε συνεχή λειτουργία, για μεγάλους όγκους παραγωγής συνιστάται η χρήση εγκατάστασης συνεχούς ροής. Περνώντας μέσα από ένα υπερηχητικό κύτταρο ροής, όλο το κυτταρικό μέσο παίρνει ακριβώς την ίδια έκθεση σε υπερήχους εξασφαλίζοντας την πιο αποτελεσματική θεραπεία. Hielscher Υπέρηχοι ευρύ φάσμα υπερήχων ανιχνευτές και αντιδραστήρες κυττάρων ροής επιτρέπει τη συναρμολόγηση της ιδανικής εγκατάστασης υπερήχων βιοεπεξεργασίας.

Hielscher Ultrasonics – Από το εργαστήριο στο πιλοτικό στην παραγωγή

Hielscher Υπέρηχοι καλύπτει το πλήρες φάσμα του εξοπλισμού υπερήχων προσφέροντας συμπαγή χειρός υπερήχων ομογενοποιητές για την προετοιμασία του δείγματος σε πάγκο-top και πιλοτικά συστήματα, καθώς και ισχυρές βιομηχανικές μονάδες υπερήχων που επεξεργάζονται εύκολα φορτία φορτηγών ανά ώρα. Όντας ευέλικτο και ευέλικτο στις επιλογές εγκατάστασης και τοποθέτησης, Hielscher υπερήχων μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε όλα τα είδη αντιδραστήρων παρτίδας, τροφοδοτούνται-παρτίδες ή συνεχή ροή-μέσω ρυθμίσεων.
Διάφορα εξαρτήματα καθώς και προσαρμοσμένα εξαρτήματα επιτρέπουν την ιδανική προσαρμογή της εγκατάστασης υπερήχων σας στις απαιτήσεις της διαδικασίας σας.
Χτισμένο για 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία υπό πλήρες φορτίο και βαρέως τύπου σε απαιτητικές συνθήκες, Hielscher υπερήχων επεξεργαστές είναι αξιόπιστα και απαιτούν μόνο χαμηλή συντήρηση.
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας: