Producción biosintética de oligosacáridos de la leche humana

La biosíntesis de oligosacáridos de la leche humana (HMOs) mediante fermentación o reacciones enzimáticas es un proceso complejo, que consume recursos y que suele ofrecer bajos rendimientos. La ultrasonicación aumenta la transferencia de masa entre el sustrato y las fábricas celulares y estimula el crecimiento y el metabolismo celulares. De este modo, la sonicación intensifica la fermentación y los procesos bioquímicos, lo que permite una producción de HMOs más rápida y eficiente.

Oligosacáridos de la leche humana

Los oligosacáridos de la leche humana (HMOs), también conocidos como glicanos de la leche humana, son moléculas de azúcar que pertenecen al grupo de los oligosacáridos. Entre los ejemplos destacados de HMOs se encuentran la 2’-fucosilactosa (2′-FL), la lacto-N-neotetraosa (LNnT), la 3’-galactosilactosa (3′-GL) y la difucosilactosa (DFL).
Aunque la leche materna humana contiene más de 150 estructuras diferentes de HMOs, actualmente solo la 2′-fucosilactosa (2′-FL) y la lacto-N-neotetraosa (LNnT) se producen a escala comercial y se utilizan como aditivos nutricionales en fórmulas infantiles.
Los oligosacáridos de la leche humana (HMOs) son conocidos por su importancia en la nutrición de los bebés. Constituyen un tipo único de nutrientes que actúan como prebióticos, antimicrobianos antiadhesivos e inmunomoduladores en el intestino del lactante y contribuyen de forma sustancial al desarrollo cerebral. Los HMOs se encuentran exclusivamente en la leche materna humana; la leche de otros mamíferos (por ejemplo, vacas, cabras, ovejas, camellos, etc.) no contiene estas formas específicas de oligosacáridos.
Los oligosacáridos de la leche humana son el tercer componente sólido más abundante de la leche humana y pueden estar disueltos, emulsionados o suspendidos en agua. La lactosa y los ácidos grasos son los sólidos más abundantes de la leche humana. Los HMOs están presentes en una concentración de 0,35–0,88 onzas (9,9–24,9 g)/ L. Se conocen aproximadamente 200 oligosacáridos de la leche humana con estructuras diferentes. El oligosacárido predominante en el 80% de las mujeres es la 2′-fucosilactosa, presente en la leche materna humana en una concentración aproximada de 2,5 g/ L.
Como los HMOs no se digieren, no aportan calorías a la nutrición. Al ser hidratos de carbono no digeribles, actúan como prebióticos y son fermentados selectivamente por la microflora intestinal beneficiosa, especialmente por las bifidobacterias.

Biosíntesis de oligosacáridos de la leche humana

Las fábricas celulares y los sistemas enzimáticos / quimioenzimáticos son tecnologías utilizadas actualmente para la síntesis de HMOs. Para la producción de HMOs a escala industrial, la fermentación mediante fábricas celulares microbianas, la síntesis bioquímica y diversas reacciones enzimáticas son vías viables de bioproducción. Por razones económicas, la biosíntesis mediante fábricas celulares microbianas es actualmente la única técnica utilizada en la producción industrial de HMOs.

Fermentación de HMOs mediante fábricas celulares microbianas

E.coli, Saccharomyces cerevisiae y Lactococcus lactis se utilizan habitualmente como fábricas celulares para la bioproducción de moléculas biológicas como los HMOs. La fermentación es un proceso bioquímico que utiliza microorganismos para convertir un sustrato en las moléculas biológicas deseadas. Las fábricas celulares microbianas utilizan como sustrato azúcares simples, que convierten en HMOs. Dado que los azúcares simples (por ejemplo, la lactosa) son un sustrato abundante y económico, el proceso de biosíntesis resulta rentable.
El crecimiento y la tasa de bioconversión dependen principalmente de la transferencia de masa de los nutrientes (sustrato) a los microorganismos. La tasa de transferencia de masa es uno de los principales factores que afectan a la síntesis del producto durante la fermentación. La ultrasonicación es bien conocida por favorecer la transferencia de masa.
Durante la fermentación, las condiciones del biorreactor deben supervisarse y regularse constantemente para que las células crezcan lo más rápido posible y produzcan después las biomoléculas deseadas (por ejemplo, oligosacáridos como los HMOs; insulina; proteínas recombinantes). En teoría, la formación del producto comienza en cuanto el cultivo celular empieza a crecer. Sin embargo, especialmente en células modificadas genéticamente, como los microorganismos obtenidos mediante ingeniería genética, suele inducirse más tarde mediante la adición al sustrato de una sustancia química que aumenta la expresión de la biomolécula deseada. Los biorreactores ultrasónicos (sonobiorreactores) pueden controlarse con precisión y permiten estimular específicamente a los microorganismos. Esto da lugar a una biosíntesis acelerada y a mayores rendimientos.
Lisis y extracción ultrasónicas: la fermentación de HMOs complejos puede verse limitada por bajas concentraciones de producto en la fermentación y por la retención de productos en el interior de las células. La lisis y la extracción ultrasónicas se utilizan para liberar el material intracelular antes de la purificación y de los procesos posteriores.

Fermentación favorecida por ultrasonidos

La tasa de crecimiento de microorganismos como Escherichia coli, E.coli modificada mediante ingeniería genética, Saccharomyces cerevisiae y Lactococcus lactis puede acelerarse aumentando la tasa de transferencia de masa y la permeabilidad de la pared celular mediante la aplicación de ultrasonicación controlada de baja frecuencia. Como técnica de procesamiento suave y no térmica, la ultrasonicación aplica fuerzas puramente mecánicas al caldo de fermentación.
Cavitación acústica: el principio de funcionamiento de la sonicación se basa en la cavitación acústica. La sonda ultrasónica (sonotrodo) acopla ondas ultrasónicas de baja frecuencia al medio. Las ondas ultrasónicas se propagan por el líquido y generan ciclos alternos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción). Al comprimir y expandir el líquido en ciclos alternos, se forman diminutas burbujas de vacío. Estas pequeñas burbujas de vacío crecen durante varios ciclos hasta alcanzar un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. En este punto de crecimiento máximo, la burbuja de vacío implosiona violentamente y genera condiciones localmente extremas, conocidas como el fenómeno de cavitación. En el «punto caliente» de cavitación pueden observarse grandes diferencias de presión y temperatura e intensas fuerzas de cizallamiento con chorros de líquido de hasta 280 m/sec. Estos efectos de cavitación permiten una transferencia de masa eficaz y la sonoporación (la perforación de las paredes y las membranas celulares). Los nutrientes del sustrato se transportan hacia las células vivas intactas y penetran en ellas, de modo que las fábricas celulares reciben una nutrición óptima y se aceleran tanto el crecimiento como las tasas de conversión. Los biorreactores ultrasónicos son una estrategia sencilla y muy eficaz para procesar biomasa mediante un proceso de biosíntesis en un único recipiente.
Es bien sabido que una sonicación suave y controlada con precisión intensifica los procesos de fermentación.
La sonicación mejora «la productividad de muchos bioprocesos que utilizan células vivas mediante una mayor captación del sustrato, una mayor producción o crecimiento gracias al aumento de la porosidad celular y, potencialmente, una mayor liberación de componentes celulares». (Naveena et al. 2015)
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Naveena et al. (2015) observaron que la intensificación por ultrasonidos ofrece varias ventajas durante el bioprocesamiento, entre ellas bajos costes operativos en comparación con otras opciones de tratamiento para mejorar el proceso, facilidad de uso y requisitos de potencia moderados.

Reactores ultrasónicos de alto rendimiento para fermentación

Los procesos de fermentación utilizan microorganismos vivos, como bacterias o levaduras, que actúan como fábricas celulares. Aunque la sonicación se aplica para favorecer la transferencia de masa y aumentar el crecimiento y la tasa de conversión de los microorganismos, es fundamental controlar con precisión la intensidad ultrasónica para evitar la destrucción de las fábricas celulares.
Hielscher Ultrasonics está especializada en el diseño, la fabricación y la distribución de ultrasonicadores de alto rendimiento, que pueden controlarse y supervisarse con precisión para garantizar rendimientos superiores en la fermentación.

El control del proceso no solo es esencial para obtener altos rendimientos y una calidad superior, sino que también permite repetir y reproducir los resultados. Especialmente cuando se trata de estimular fábricas celulares, la adaptación de los parámetros de sonicación a cada tipo de célula es esencial para lograr altos rendimientos y evitar la degradación celular. Por ello, todos los modelos digitales de ultrasonicadores Hielscher están equipados con un software inteligente que permite ajustar, supervisar y revisar los parámetros de sonicación. Los parámetros del proceso ultrasónico, como la amplitud, la temperatura, la presión, la duración de la sonicación, los ciclos de trabajo y el aporte de energía, son esenciales para favorecer la producción de HMOs mediante fermentación.
El software inteligente de los ultrasonicadores Hielscher registra automáticamente todos los parámetros importantes del proceso en la tarjeta SD integrada. El registro automático de los datos del proceso de sonicación constituye la base de la estandarización del proceso y de la reproducibilidad / repetibilidad, exigidas por las buenas prácticas de fabricación (GMP).

Reactores ultrasónicos para fermentación

Hielscher ofrece sondas ultrasónicas de diversos tamaños, longitudes y geometrías, que pueden utilizarse tanto para tratamientos por lotes como en flujo continuo. Los reactores ultrasónicos, también conocidos como sonobiorreactores, están disponibles para cualquier volumen y abarcan el bioprocesamiento ultrasónico desde pequeñas muestras de laboratorio hasta la escala piloto y la producción plenamente comercial.
Es bien sabido que la ubicación del sonotrodo ultrasónico en el recipiente de reacción influye en la distribución de la cavitación y de las microcorrientes dentro del medio. El sonotrodo y el reactor ultrasónico deben seleccionarse en función del volumen de caldo celular que se vaya a procesar. Aunque la sonicación puede realizarse tanto por lotes como en modo continuo, para volúmenes de producción elevados se recomienda utilizar una instalación de flujo continuo. Al pasar por una celda de flujo ultrasónica, todo el medio celular recibe exactamente la misma exposición a la sonicación, lo que garantiza el tratamiento más eficaz. La amplia gama de sondas ultrasónicas y reactores de celda de flujo de Hielscher Ultrasonics permite configurar la instalación de bioprocesamiento ultrasónico ideal.

Hielscher Ultrasonics – Del laboratorio a la escala piloto y a la producción

Hielscher Ultrasonics abarca todo el espectro de equipos ultrasónicos, desde homogeneizadores ultrasónicos compactos de mano para la preparación de muestras hasta sistemas de sobremesa y de escala piloto, así como potentes unidades ultrasónicas industriales que procesan fácilmente cargas completas de camión por hora. Gracias a su versatilidad y a sus opciones flexibles de instalación y montaje, los ultrasonicadores Hielscher pueden integrarse fácilmente en todo tipo de reactores por lotes, sistemas de lotes alimentados o instalaciones de flujo continuo.
Diversos accesorios y piezas personalizadas permiten adaptar de forma óptima su instalación ultrasónica a los requisitos del proceso.
Diseñados para funcionar 24/7 a plena carga y en servicio intensivo bajo condiciones exigentes, los procesadores ultrasónicos Hielscher son fiables y requieren poco mantenimiento.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores: