Inimese piima oligosahhariidide biosünteetiline tootmine
Inimese piima oligosahhariidide (HMO) biosüntees fermentatsiooni või ensümaatiliste reaktsioonide kaudu on keeruline, tarbiv ja sageli madala saagikusega protsess. Ultraheli suurendab massiülekannet substraadi ja rakutehaste vahel ans stimuleerib rakkude kasvu ja ainevahetust. Seega intensiivistab ultrahelitöötlus kääritamist ja biokeemilisi protsesse, mille tulemuseks on HMO-de kiirendatud ja tõhusam tootmine.
Inimpiima oligosahhariidid
Inimese piima oligosahhariidid (HMO), tuntud ka kui inimese piimaglükaanid, on suhkrumolekulid, mis kuuluvad oligosahhariidide rühma. HMO-de silmapaistvate näidete hulka kuuluvad 2'-fukosüüllaktoos (2′-FL), lakto-N-neotetraoos (LNnT), 3'-galaktosüüllaktoos (3′-GL) ja difukosüüllaktoosi (DFL).
Kuigi inimese rinnapiim koosneb enam kui 150 HMO struktuurist, toodetakse praegu kaubanduslikul tasandil ainult 2′-fukosüüllaktoosi (2′-FL) ja lakto-N-neotetraoosi (LNnT) ning neid kasutatakse imiku piimasegus toitainelise lisandina.
Inimese piima oligosahhariidid (HMO) on tuntud oma tähtsuse poolest imikute toitumises. Inimpiima oligosahhariidid on ainulaadsed toitained, mis toimivad imiku soolestikus prebiootikumide, kleepumisvastaste antimikroobsete ainete ja immunomodulaatoritena ning aitavad oluliselt kaasa aju arengule. HMO-sid leidub ainult inimese rinnapiimas; Muudel imetajate piimadel (nt lehma-, kitse-, lamba-, kaameli- jne) ei ole sellist oligosahhariidide erivormi.
Inimpiima oligosahhariidid on rinnapiimas suuruselt kolmas tahke aine, mis võib esineda kas lahustunud või emulgeeritud või suspendeeritud kujul vees. Laktoos ja rasvhapped on kõige rikkalikumad kuivained, mida leidub rinnapiimas. HMO-d esinevad kontsentratsioonis 0,35–0,88 untsi (9,9–24,9 g)/ L. On teada ligikaudu 200 struktuuriliselt erinevat inimpiima oligosahhariidi. Domineeriv oligosahhariid 80% -l kõigist naistest on 2′-fukosüüllaktoos, mida leidub inimese rinnapiimas kontsentratsioonis ligikaudu 2,5 g/l.
Kuna HMO-sid ei seeditata, ei aita nad toitumisele kaloriliselt kaasa. Kuna tegemist on seedimatute süsivesikutega, toimivad nad prebiootikumidena ja neid fermenteerib selektiivselt soovitav soolestiku mikrofloora, eriti bifidobakterid.
- edendada imikute arengut
- on olulised aju arenguks
- on põletikuvastane ja
- kleepumisvastane toime seedetraktis
- toetab immuunsüsteemi täiskasvanutel

See on ultraheli protsessor UIP2000hdT suurendab massiülekannet ja aktiveerib rakutehased biosünteesitud bioloogiliste molekulide, näiteks HMO-de suurema saagikuse saavutamiseks
Inimese piima oligosahhariidide biosüntees
Rakutehased ja ensümaatilised / kemo-ensümaatilised süsteemid on praegused tehnoloogiad, mida kasutatakse HMO-de sünteesiks. HMO tootmiseks tööstuslikus mastaabis on mikroobirakkude tehaste kääritamine, biokeemiline süntees ja erinevad ensümaatilised reaktsioonid HMO biotootmise teostatavad viisid. Majanduslikel põhjustel on biosüntees mikroobsete rakkude tehaste kaudu praegu ainus meetod, mida kasutatakse HMOde tööstusliku tootmise tasandil.
HMO-de kääritamine mikroobirakkude tehaste abil
E.coli, Saccharomyces cerevisiae ja Lactococcus lactis on tavaliselt kasutatavad rakutehased, mida kasutatakse bioloogiliste molekulide, näiteks HMO-de biotootmiseks. Fermentatsioon on biokeemiline protsess, mille käigus kasutatakse mikroorganisme, et muuta substraat sihitud bioloogilisteks molekulideks. Mikroobirakkude tehased kasutavad substraadina lihtsaid suhkruid, mida nad muundavad HMO-deks. Kuna lihtsad suhkrud (nt laktoos) on külluslik ja odav substraat, hoiab see biosünteesi protsessi kuluefektiivsena.
Kasvu ja biokonversiooni kiirust mõjutab peamiselt toitainete (substraadi) massiülekanne mikroorganismidele. Massiülekande kiirus on peamine tegur, mis mõjutab kääritamise ajal toote sünteesi. Ultraheli on hästi teada, et edendada massiülekannet.
Fermentatsiooni ajal tuleb bioreaktori tingimusi pidevalt jälgida ja reguleerida, et rakud saaksid võimalikult kiiresti kasvada, et seejärel toota sihitud biomolekule (nt oligosahhariidid nagu HMOd; insuliin; rekombinantsed valgud). Teoreetiliselt algab toote moodustumine niipea, kui rakukultuur hakkab kasvama. Kuid eriti geneetiliselt muundatud rakkudes, näiteks tehismikroorganismides, indutseeritakse see tavaliselt hiljem, lisades substraadile keemilise aine, mis reguleerib sihitud biomolekuli ekspressiooni. Ultraheli bioreaktoreid (sono-bioreaktor) saab täpselt kontrollida ja võimaldada mikroobide spetsiifilist stimuleerimist. Selle tulemuseks on kiirendatud biosüntees ja suurem saagikus.
Ultraheli lüüs ja ekstraheerimine: Komplekssete HMOde kääritamist võivad piirata madala fermentatsiooniga tiitrid ja rakusisesed tooted. Ultraheli lüüsi ja ekstraheerimist kasutatakse rakusisese materjali vabastamiseks enne puhastamist ja allavoolu protsesse.
Ultraheli edendatud käärimine
Selliste mikroobide nagu Escherichia coli, konstrueeritud E.coli, Saccharomyces cerevisiae ja Lactococcus lactis kasvukiirust saab kiirendada, suurendades massiülekande kiirust ja rakuseina läbilaskvust, rakendades kontrollitud madala sagedusega ultraheli. Kerge, mittetermilise töötlemismeetodina rakendab ultraheli käärituspuljongisse puhtalt mehaanilisi jõude.
Akustiline kavitatsioon: Ultrahelitöötluse tööpõhimõte põhineb akustilisel kavitatsioonil. Ultraheli sond (sonotrode) ühendab madala sagedusega ultraheli lained söötmesse. Ultraheli lained liiguvad läbi vedeliku, tekitades vahelduvaid kõrgsurve (kokkusurumine) / madala rõhuga (haruldane) tsükleid. Vedeliku kokkusurumisel ja venitamisel vahelduvates tsüklites tekivad minutilised vaakummullid. Need väikesed vaakummullid kasvavad mitme tsükli jooksul, kuni nad saavutavad suuruse, kus nad ei suuda enam energiat absorbeerida. Selles maksimaalse kasvu punktis implodeerib vaakummull ägedalt ja tekitab lokaalselt äärmuslikke tingimusi, mida tuntakse kavitatsiooni nähtusena. Kavitatsioonilises "hot-spotis" võib täheldada kõrgsurve ja temperatuuri erinevusi ning intensiivseid nihkejõude vedelikujoaga kuni 280 m / sek. Nende kavitatsiooniliste mõjude abil saavutatakse põhjalik massiülekanne ja sonoporatsioon (rakuseinte ja rakumembraanide perforatsioon). Substraadi toitained ujutatakse elavatesse tervetesse rakkudesse ja nendesse rakkudesse, nii et rakutehased on optimaalselt toidetud ning kasv ja konversioonimäärad kiirenevad. Ultraheli bioreaktorid on lihtne, kuid väga tõhus strateegia biomassi töötlemiseks ühe poti biosünteesi protsessis.
Täpselt kontrollitud, kerge ultrahelitöötlus on hästi teada, et see intensiivistab käärimisprotsesse.
Sonikatsioon parandab "paljude elusrakke hõlmavate bioprotsesside tootlikkust, suurendades substraadi omastamist, suurendades tootmist või kasvu, suurendades rakkude poorsust ja potentsiaalselt suurendades rakukomponentide vabanemist." (Naveena et al. 2015)
Loe lähemalt ultraheli abil kääritamise kohta!
- Suurenenud saagikus
- Kiirendatud fermentatsioon
- Rakuspetsiifiline stimulatsioon
- Täiustatud substraadi omastamine
- Suurenenud rakkude poorsus
- Lihtne kasutada
- Ohutu
- Lihtne retropaigaldus
- Lineaarne skaala üles
- Partii või InIine töötlemine
- Kiire ROI
(2015) leidis, et ultraheli intensiivistamine pakub biotöötluse ajal mitmeid eeliseid, sealhulgas madalaid tegevuskulusid võrreldes teiste parandavate ravivõimalustega, töö lihtsust ja tagasihoidlikke võimsusnõudeid.

The MultiSonoReactor MSR-4 on tööstuslik inline homogenisaator, mis sobib inimese piima oligosahhariidide (HMO) tõhustatud biosünteesiks.
Suure jõudlusega ultraheli fermentatsioonireaktorid
Fermentatsiooniprotsessid hõlmavad elusaid mikroorganisme, nagu bakterid või pärm, mis toimivad rakutehastena. Kuigi ultrahelitöötlust rakendatakse massiülekande soodustamiseks ja mikroorganismide kasvu ja konversioonimäära suurendamiseks, on oluline kontrollida ultraheli intensiivsust just selleks, et vältida rakutehaste hävitamist.
Hielscher Ultrasonics on spetsialiseerunud suure jõudlusega ultrasonikaatorite projekteerimisele, tootmisele ja levitamisele, mida saab täpselt kontrollida ja jälgida, et tagada parem kääritamise saagikus.
Protsessi juhtimine ei ole oluline mitte ainult kõrge saagikuse ja suurepärase kvaliteedi saavutamiseks, vaid võimaldab tulemusi korrata ja reprodutseerida. Eriti kui tegemist on rakutehaste stimuleerimisega, on ultrahelitöötluse parameetrite rakuspetsiifiline kohandamine oluline kõrge saagikuse saavutamiseks ja rakkude lagunemise vältimiseks. Seetõttu on kõik Hielscheri ultrasonikaatorite digitaalsed mudelid varustatud intelligentse tarkvaraga, mis võimaldab teil kohandada, jälgida ja muuta ultrahelitöötluse parameetreid. Ultraheli protsessi parameetrid, nagu amplituud, temperatuur, rõhk, ultrahelitöötluse kestus, töötsüklid ja energiasisend, on olulised HMO tootmise edendamiseks kääritamise teel.
Hielscheri ultrasonikaatorite nutikas tarkvara salvestab automaatselt kõik olulised protsessi parameetrid integreeritud SD-kaardile. Ultrahelitöötluse protsessi automaatne andmete salvestamine on aluseks protsessi standardimisele ja reprodutseeritavusele / korratavusele, mis on vajalikud heade tootmistavade (GMP) jaoks.
Ultraheli rektorid kääritamiseks
Hielscher pakub erineva suuruse, pikkuse ja geomeetriaga ultraheli sonde, mida saab kasutada nii partii kui ka pideva läbivoolu raviks. Ultraheli reaktorid, tuntud ka kui sono-bioreaktorid, on saadaval mis tahes mahus, mis katab ultraheli biotöötlust väikestest laboriproovidest piloot- ja täielikult kaubanduslikule tootmistasemele.
On hästi teada, et ultraheli sonotrode asukoht reaktsioonianumas mõjutab kavitatsiooni ja mikrovoolu jaotumist söötmes. Sonotrode ja ultraheli reaktor tuleks valida vastavalt rakupuljongi töötlemismahule. Kuigi ultrahelitöötlust saab teostada nii partiina kui ka pidevas režiimis, on suurte tootmismahtude puhul soovitatav kasutada pideva voolu seadet. Ultraheli voolurakku läbides saab kogu rakukeskkond täpselt sama kokkupuute ultrahelitöötlusega, tagades kõige tõhusama ravi. Hielscher Ultrasonics lai valik ultraheli sonde ja voolu raku reaktoreid võimaldab kokku panna ideaalse ultraheli biotöötluse seadistuse.
Hielscher Ultrasonics – Laborist piloodini ja tootmiseni
Hielscher Ultrasonics hõlmab kogu ultraheli seadmete spektrit, pakkudes kompaktseid käeshoitavaid ultraheli homogenisaatoreid proovide ettevalmistamiseks pink-top ja pilootsüsteemidele, samuti võimsaid tööstuslikke ultraheli seadmeid, mis kergesti töötlevad veoautode koormust tunnis. Olles mitmekülgne ja paindlik paigaldus- ja paigaldusvõimalustes, saab Hielscheri ultrasonikaatoreid hõlpsasti integreerida igasugustesse partii reaktoritesse, toidetud partiidesse või pideva läbivoolu seadistustesse.
Erinevad tarvikud ja kohandatud osad võimaldavad ultraheli seadistuse ideaalset kohandamist teie protsessinõuetega.
Hielscheri ultraheli protsessorid, mis on ehitatud 24/7 tööks täiskoormusel ja rasketel tingimustel nõudlikes tingimustes, on usaldusväärsed ja vajavad ainult madalat hooldust.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
---|---|---|
1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Kirjandus / Viited
- 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.
Faktid, mida tasub teada
Biosüntees rakutehaste abil
Mikroobirakkude tehas on biotehnoloogia meetod, mis kasutab mikroobirakke tootmisüksusena. Geneetiliselt muundatud mikroobide abil modifitseeritakse mikroorganismide, näiteks bakterite, pärmide, seente, imetajate rakkude või vetikate DNA-d, muutes mikroobid rakutehasteks. Rakuvabrikuid kasutatakse substraatide muutmiseks väärtuslikeks bioloogilisteks molekulideks, mida kasutatakse näiteks toidu, farmaatsia, keemia ja kütuse tootmisel. Rakutehasepõhise biosünteesi erinevate strateegiate eesmärk on natiivsete metaboliitide tootmine, heteroloogsete biosünteesiradade ekspressioon või valgu ekspressioon.
Rakutehaseid saab kasutada kas looduslike metaboliitide sünteesimiseks, heteroloogsete biosünteesiradade ekspresseerimiseks või valkude ekspresseerimiseks.
Natiivsete metaboliitide biosüntees
Natiivsed metaboliidid on määratletud kui bioloogilised molekulid, mida rakutehases kasutatavad rakud toodavad looduslikult. Rakutehased toodavad neid bioloogilisi molekule kas rakusiseselt või sekreteeritud ainena. Viimane on eelistatud, kuna see hõlbustab sihitud ühendite eraldamist ja puhastamist. Natiivsete metaboliitide näited on amino- ja nukleiinhapped, antibiootikumid, vitamiinid, ensüümid, bioaktiivsed ühendid ja raku anaboolsetest radadest toodetud valgud.
Heteroloogi biosünteesi rajad
Huvitava ühendi tootmisel on üks tähtsamaid otsuseid kohaliku peremehe tootmise valik ja selle peremehe optimeerimine või raja ülekandmine teisele tuntud peremehele. Kui algset peremeesorganismi on võimalik kohandada tööstusliku käärimisprotsessiga ja sellega ei kaasne tervisega seotud riske (nt toksiliste kõrvalsaaduste tootmine), võib see olla eelistatud strateegia (nagu see oli näiteks penitsilliini puhul). Kuid paljudel kaasaegsetel juhtudel kaalub tööstuslikult eelistatud rakutehase ja sellega seotud platvormiprotsesside kasutamise potentsiaal raja ülekandmise raskuse.
valgu ekspressioon
Valkude ekspressiooni on võimalik saavutada homoloogsete ja heteroloogsete viiside abil. Homoloogses ekspressioonis on organismis looduslikult esinev geen üleekspresseeritud. Selle üleekspressiooni kaudu saab toota teatud bioloogilise molekuli suuremat saagist. Heteroloogseks ekspressiooniks kantakse spetsiifiline geen peremeesrakku, kuna geen ei esine loomulikult. Kasutades rakutehnoloogiat ja rekombinantse DNA tehnoloogiat, sisestatakse geen peremehe DNA-sse nii, et peremeesrakk toodab (suuri) koguseid valku, mida ta looduslikult ei toodaks. Valgu ekspressioon toimub bakterite mitmesugustes peremeesorganismides, nt E. coli ja Bacillis subtilis, pärmid, nt Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentsed seened, nt A. niger, ja rakud, mis on saadud mitmerakulistest organismidest, nagu imetajad ja putukad. Lõpmatud valgud pakuvad suurt kaubanduslikku huvi, sealhulgas lahtistest ensüümidest, komplekssetest biofarmaatsiatoodetest, diagnostikast ja uurimisreaktiividest. (vrd A. M. Davy et al. 2017)