Desintegración ultrasónica de células

La ultrasonicación es un medio eficaz para desintegrar estructuras celulares. Por ello, los sonicadores se utilizan ampliamente en los laboratorios para romper las células y extraer moléculas intracelulares, proteínas y orgánulos destinados a la investigación y el análisis. A escala industrial, la desintegración y la lisis ultrasónicas se utilizan para aislar moléculas de fábricas celulares o favorecer la digestión de la biomasa.

¿Qué es la desintegración ultrasónica?

La desintegración ultrasónica, también conocida como homogeneización ultrasónica, es un proceso que utiliza ondas de ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia para romper las paredes celulares y alterar las estructuras moleculares en un medio líquido. Esta técnica se utiliza habitualmente en diversas aplicaciones científicas e industriales con distintos fines:

Ruptura celular: La desintegración ultrasónica se utiliza ampliamente en biología celular y biología molecular para romper las membranas celulares y liberar el contenido celular, como proteínas, ácidos nucleicos y orgánulos. Esto resulta útil para extraer componentes intracelulares destinados al análisis o para lisar células en procesos microbiológicos y biotecnológicos.

• Homogeneización: Ayuda a mezclar uniformemente los componentes de una muestra, especialmente cuando se trabaja con líquidos inmiscibles o cuando se busca obtener una mezcla homogénea de materiales.
• Extracción de proteínas: En biología, proteómica y ciencias de la vida, el análisis de proteínas es una tarea muy habitual. Antes de poder analizar las proteínas mediante ensayos, es necesario extraerlas del interior celular y aislarlas. Los sonicadores constituyen el método más utilizado para la extracción de proteínas.
• Fragmentación del ADN: El ADN y el ARN son tipos distintos de ácidos nucleicos que almacenan y codifican la información genética en las células. Al analizar el ADN y el ARN, a veces es necesario fragmentar sus largas cadenas, un proceso que puede realizarse de forma fiable y eficiente mediante sonicación.
• Preparación de muestras: En investigación y análisis, la preparación de muestras es un procedimiento habitual previo a diversas técnicas analíticas. La desintegración ultrasónica puede ayudar a disolver o dispersar las muestras, lo que puede mejorar la exactitud y la reproducibilidad de los análisis.

Ventajas de la desintegración ultrasónica

¿Por qué utilizar un sonicador de sonda para la desintegración, la ruptura celular y la extracción de moléculas intracelulares y proteínas? Un sonicador o desintegrador ultrasónico ofrece numerosas ventajas que hacen de la sonicación una tecnología superior a otros métodos de desintegración, como la homogeneización a alta presión, la molienda con bolas o la microfluidización.

• No térmica: La desintegración ultrasónica es un método no térmico, lo que significa que no depende del calor para desintegrar los materiales. Esto resulta ventajoso en aplicaciones en las que las altas temperaturas podrían degradar las muestras sensibles al calor.
• Precisa y controlada: El proceso puede controlarse con gran precisión, lo que permite realizar operaciones específicas de ruptura, mezcla o reducción del tamaño de partícula.
• Rápida y eficiente: La ultrasonicación es, en general, un método rápido y eficiente, lo que la hace adecuada para aplicaciones con una elevada capacidad de procesamiento de muestras.
• Menor uso de productos químicos: En muchos casos, la desintegración ultrasónica puede reducir la necesidad de productos químicos agresivos o disolventes orgánicos, lo que puede beneficiar al medio ambiente y reducir el riesgo de contaminación química.
• Sin medios de molienda ni boquillas: Las técnicas alternativas de desintegración, como la molienda con bolas o perlas o los homogeneizadores de alta presión, presentan inconvenientes. La molienda con bolas o perlas requiere medios de molienda (bolas o perlas), cuya separación y limpieza resultan laboriosas. Los homogeneizadores de alta presión tienen boquillas propensas a obstruirse. En cambio, los homogeneizadores ultrasónicos son fáciles de utilizar, muy fiables y robustos, y requieren muy poco mantenimiento.
• Versatilidad: Puede aplicarse a una amplia variedad de materiales, como bacterias, células vegetales, tejidos de mamíferos, algas, hongos, etc., lo que la convierte en una técnica versátil en diversos campos.
  Escalabilidad: La técnica ultrasónica puede ampliarse a escala industrial, por lo que resulta adecuada tanto para aplicaciones de laboratorio como para la producción a gran escala.

Principio de funcionamiento de la desintegración ultrasónica y la ruptura celular

La ultrasonicación genera ondas alternas de alta y baja presión en el líquido expuesto. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas crean pequeñas burbujas de vacío en el líquido que colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. La implosión de la burbuja de cavitación genera intensas fuerzas de cizallamiento hidrodinámico que provocan primero la sonoporación y, posteriormente, la ruptura eficiente de las estructuras celulares. Las moléculas intracelulares y los orgánulos se liberan por completo en el disolvente.

Desintegración ultrasónica de estructuras celulares

Las fuerzas de cizallamiento pueden desintegrar el material fibroso y celulósico en partículas finas y romper las paredes de la estructura celular. Esto libera en el líquido una mayor cantidad de material intracelular, como almidón o azúcar. Además, el material de la pared celular se fragmenta en pequeños restos.

Este efecto puede aprovecharse en la fermentación, la digestión y otros procesos de conversión de la materia orgánica. Tras la molienda y la trituración, la ultrasonicación pone una mayor cantidad de material intracelular, por ejemplo, almidón, así como restos de las paredes celulares, a disposición de las enzimas que convierten el almidón en azúcares. También aumenta la superficie expuesta a las enzimas durante la licuefacción o la sacarificación. Esto suele aumentar la velocidad y el rendimiento de la fermentación con levaduras y de otros procesos de conversión, por ejemplo, para incrementar la producción de etanol a partir de biomasa.

Utilice la desintegración ultrasónica – de forma fiable y eficiente a cualquier escala

Los sonicadores Hielscher están disponibles con distintas potencias nominales y capacidades de procesamiento. Tanto si desea sonicar pequeñas muestras biológicas de unos pocos microlitros a unos pocos litros como si necesita procesar grandes corrientes de células o biomasa para la producción, Hielscher Ultrasonics le ofrecerá el desintegrador ultrasónico más adecuado para su aplicación biológica.

• escala de laboratorio de 1 mL a aprox. 5 L, p. ej. UP400St con sonotrodo de 22 mm
• escala de sobremesa de aprox. 0,1 a 20 L/min, p. ej. UIP1000hdT con sonotrodo de 34 mm y celda de flujo
• escala de producción a partir de 20 L/min, p. ej. UIP4000hdT o UIP16000hdT

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores de laboratorio:

Utilice el formulario que aparece a continuación si desea recibir más información sobre el uso de equipos ultrasónicos para la desintegración de células. Estaremos encantados de ayudarle.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores industriales:

Bibliografía / Referencias

• 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.