Desintegración de células por ultrasonidos
La ultrasonicación es un medio eficaz para desintegrar las estructuras celulares. Por ello, los sonicadores se utilizan mucho en los laboratorios para romper células abiertas, extraer moléculas intracelulares, proteínas y orgánulos para investigación y análisis. A escala industrial, la desintegración y lisis por ultrasonidos se utiliza para aislar moléculas de las fábricas celulares o para 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 ultrasónicas 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 varios fines:
Disrupción celular: La desintegración ultrasónica se utiliza ampliamente en biología celular y molecular para desintegrar las membranas celulares, liberando contenidos celulares como proteínas, ácidos nucleicos y orgánulos. Esto resulta útil para extraer componentes intracelulares para su análisis o para lisar células en procesos de microbiología y biotecnología.
- Homogeneización: Ayuda a mezclar uniformemente los componentes de una muestra, sobre todo cuando se trata de líquidos inmiscibles o cuando se intenta conseguir 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 que las proteínas puedan analizarse en ensayos, deben extraerse del interior celular y aislarse. Los sonicadores son 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. Cuando se analizan el ADN y el ARN, a veces hay que fragmentar las hebras largas, un proceso que puede realizarse de forma fiable y eficaz mediante sonicación.
- Preparación de la muestra: 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 precisión y la reproducibilidad de los análisis.
Sonda sonicadora UP200St para la desintegración, disrupción y extracción celular
Ventajas de la desintegración ultrasónica
¿Por qué utilizar un sonicador tipo sonda para la desintegración, la disrupción celular y la extracción de moléculas y proteínas intracelulares? Un sonicador o desintegrador ultrasónico ofrece numerosas ventajas que hacen de la sonicación la tecnología superior en comparación con otros métodos de desintegración, como la homogeneización a alta presión, la molienda por bolas o la microfluidización.
- No térmico: La desintegración ultrasónica es un método no térmico, lo que significa que no depende del calor para descomponer los materiales. Esto es ventajoso para aplicaciones en las que las altas temperaturas podrían degradar muestras sensibles al calor.
- Preciso y controlado: El proceso puede controlarse con gran precisión, lo que permite una disgregación, mezcla o reducción del tamaño de las partículas específicas.
- Rápido y eficaz: La ultrasonicación suele ser un método rápido y eficaz, por lo que resulta adecuado para aplicaciones de alto rendimiento.
- Reducción del uso de productos químicos: En muchos casos, la desintegración ultrasónica puede reducir la necesidad de utilizar productos químicos agresivos o disolventes orgánicos, lo que puede ser respetuoso con el medio ambiente y reducir el riesgo de contaminación química.
- Sin medios de fresado, sin boquillas: Las técnicas de desintegración alternativas, como la molienda por bolas/perlas o los homogeneizadores de alta presión, presentan desventajas. La molienda por bolas/perlas requiere el uso de medios de molienda (perlas o perlas), que deben separarse y limpiarse laboriosamente. Los homogeneizadores de alta presión tienen boquillas propensas a atascarse. En cambio, los homogeneizadores ultrasónicos son fáciles de usar, muy fiables y robustos, y requieren muy poco mantenimiento.
- Versatilidad: Puede aplicarse a una amplia gama 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 para procesos industriales, por lo que es adecuada tanto para aplicaciones de laboratorio como de producción a gran escala.
Principio de funcionamiento de la desintegración y disrupción celular por ultrasonidos
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 se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. La implosión de la burbuja de cavitación provoca fuertes fuerzas hidrodinámicas de cizallamiento que causan primero la sonoporación y después la disrupción eficaz de las estructuras celulares. Las moléculas intracelulares y los orgánulos se liberan completamente en el disolvente.
Ruptura de estructuras celulares mediante ultrasonidos
Las fuerzas de cizallamiento pueden desintegrar el material fibroso y celulósico en partículas finas y romper las paredes de la estructura celular. Esto libera más material intracelular, como almidón o azúcar, en el líquido. Además, el material de la pared celular se rompe en pequeños restos.
Estos efectos pueden utilizarse en procesos de fermentación, digestión y otros procesos de conversión de materia orgánica. Después de romper las estructuras celulares, los ultrasonidos permiten aprovechar más eficientemente el material intracelular, puesto que, por ejemplo, el almidón y los restos de la pared celular están más disponibles para la acción de las enzimas que hidrolizan el almidón. Los ultrasonidos también aumentan la superficie de interacción para las enzimas durante los procesos de licuefacción o sacarificación, lo que, a su vez, incrementa la velocidad y el rendimiento de la fermentación por levaduras y otros procesos de conversión, la producción de etanol a partir de biomasa.
Utilizar la desintegración ultrasónica – Fiabilidad y eficacia a cualquier escala
Los sonicadores Hielscher están disponibles con diferentes potencias y capacidades de procesamiento. Tanto si desea sonicar pequeñas muestras biológicas de unos pocos microlitros a unos pocos litros como si necesita procesar grandes flujos celulares o de biomasa para la producción, Hielscher Ultrasonics le ofrecerá el desmembrador ultrasónico más adecuado para su aplicación biológica.
- Escala de laboratorio desde 1 ml hasta aproximadamente 5 l, por ejemplo, UP400St con sonotrodo de 22 mm
- Escala piloto desde aproximadamente 0,1 a 20 l/min, por ejemplo, UIP1000hdT con sonotrodo de 34 mm y celda de flujo
- Escala industrial a partir de 20 l/min, por ejemplo, UIP4000hdT o UIP16000hdT
La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores de tamaño laboratorio:
| Dispositivos recomendados | Volumen del lote | Tasa de flujo |
|---|---|---|
| UIP400MTP Sonicador de placas de 96 pocillos | placas multipocillo / microtituladoras | n.a. |
| CupHorn ultrasónico | CupHorn para viales o vaso de precipitados | n.a. |
| GDmini2 | reactor ultrasónico de microflujo | n.a. |
| VialTweeter | 0,5 a 1,5 mL | n.a. |
| UP100H | 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min. |
| UP200Ht, UP200St | De 10 a 1000 ml | 20 a 200mL/min |
| UP400St | 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min. |
| Tamizadora ultrasónica | n.a. | n.a. |
Por favor, utilice el siguiente formulario si desea recibir más información sobre el uso de dispositivos ultrasónicos para la ruptura de células. Estaremos encantados de ayudarle.
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La tabla siguiente le ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonidos industriales:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| De 200 ml a 5 litros | 0De 0,05 a 1 l/min | UIP500hdT |
| De 1 a 10 litros | 0.1 a 2L/min | UIP1000hdT |
| De 5 a 20 litros | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| 15 a 150L | De 3 a 15 l/min | UIP6000hdT | n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
Homogeneizador ultrasónico UP400ST para solubilización celular, lisis y extracción de proteínas
Literatura / 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.
CupHorn ultrasónico para la sonicación intensa de tubos cerrados y viales para la homogeneización estéril de muestras.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.