Solujen hajotus ultraäänellä

Ultraäänikäsittely on tehokas keino hajottaa solurakenteita. Siksi ultraäänilaitteita käytetään laajalti laboratorioissa solujen avaamiseen sekä solunsisäisten molekyylien, proteiinien ja soluelinten uuttamiseen tutkimusta ja analyysiä varten. Teollisessa mittakaavassa ultraäänihajotusta ja -lyysiä käytetään molekyylien eristämiseen solutehtaista tai biomassan hajotuksen edistämiseen.

Mitä ultraäänihajotus on?

Ultraäänihajotus, joka tunnetaan myös ultraäänihomogenointina, on prosessi, jossa voimakkailla, matalataajuisilla ultraääniaalloilla hajotetaan soluseiniä ja molekyylirakenteita nestemäisessä väliaineessa. Tätä tekniikkaa käytetään yleisesti erilaisissa tieteellisissä ja teollisissa sovelluksissa useisiin tarkoituksiin:

Solujen hajotus: Ultraäänihajotusta käytetään laajalti solubiologiassa ja molekyylibiologiassa solukalvojen hajottamiseen, jolloin solujen sisältö, kuten proteiinit, nukleiinihapot ja soluelimet, vapautuu. Tästä on hyötyä solunsisäisten komponenttien uuttamisessa analyysiä varten tai solujen lyysissä mikrobiologisissa ja bioteknologisissa prosesseissa.

• Homogenointi: Se auttaa sekoittamaan näytteen komponentit tasaisesti, erityisesti käsiteltäessä toisiinsa sekoittumattomia nesteitä tai pyrittäessä saamaan aikaan tasalaatuinen materiaaliseos.
• Proteiinien uutto: Biologiassa, proteomiikassa ja biotieteissä proteiinien analysointi on hyvin yleinen tehtävä. Ennen kuin proteiineja voidaan analysoida määrityksissä, ne on uutettava solun sisältä ja eristettävä. Ultraäänilaitteiden käyttö on yleisimmin käytetty menetelmä proteiinien uuttoon.
• DNA:n fragmentointi: DNA ja RNA ovat erillisiä nukleiinihappotyyppejä, jotka tallentavat ja koodaavat geneettistä tietoa soluissa. DNA:ta ja RNA:ta analysoitaessa pitkät juosteet on joskus fragmentoitava. Tämä voidaan tehdä luotettavasti ja tehokkaasti ultraäänikäsittelyllä.
• Näytteiden valmistelu: Tutkimuksessa ja analyysissä näytteiden valmistelu on yleinen toimenpide ennen erilaisten analyysitekniikoiden käyttöä. Ultraäänihajotus voi auttaa liuottamaan tai dispergoimaan näytteitä, mikä saattaa parantaa analyysien tarkkuutta ja toistettavuutta.

Ultraäänihajotuksen edut

Miksi käyttää anturityyppistä ultraäänilaitetta hajotukseen, solujen hajotukseen sekä solunsisäisten molekyylien ja proteiinien uuttamiseen? Ultraäänilaite eli ultraäänihajotin tarjoaa lukuisia etuja, jotka tekevät ultraäänikäsittelystä ylivertaisen tekniikan muihin hajotusmenetelmiin, kuten korkeapainehomogenointiin, kuulamyllyjauhatukseen tai mikrofluidisointiin, verrattuna.

• Ei lämpöön perustuva: Ultraäänihajotus on menetelmä, joka ei perustu lämpöön eli ei käytä lämpöä materiaalien hajottamiseen. Tästä on etua sovelluksissa, joissa korkeat lämpötilat voisivat vaurioittaa lämpöherkkiä näytteitä.
• Tarkka ja hallittu: Prosessia voidaan ohjata erittäin tarkasti, mikä mahdollistaa kohdennetun hajotuksen, sekoituksen tai hiukkaskoon pienentämisen.
• Nopea ja tehokas: Ultraäänikäsittely on yleensä nopea ja tehokas menetelmä, joten se soveltuu sovelluksiin, joissa tarvitaan suurta näytteiden käsittelykapasiteettia.
• Vähäisempi kemikaalien käyttö: Monissa tapauksissa ultraäänihajotus voi vähentää voimakkaiden kemikaalien tai orgaanisten liuottimien tarvetta, mikä voi olla ympäristöystävällistä ja vähentää kemiallisen kontaminaation riskiä.
• Ei jauhatuskappaleita eikä suuttimia: Vaihtoehtoisiin hajotustekniikoihin, kuten kuula- tai helmimyllyjauhatukseen tai korkeapainehomogenisaattoreihin, liittyy haittoja. Kuula- tai helmimyllyjauhatus edellyttää jauhatuskappaleiden eli kuulien tai helmien käyttöä, ja niiden erottaminen ja puhdistaminen on työlästä. Korkeapainehomogenisaattoreissa on suuttimia, jotka tukkeutuvat herkästi. Ultraäänihomogenisaattorit puolestaan ovat helppokäyttöisiä, erittäin luotettavia ja kestäviä ja vaativat hyvin vähän huoltoa.
• Monipuolisuus: Sitä voidaan käyttää monenlaisiin materiaaleihin, kuten bakteereihin, kasvisoluihin, nisäkkäiden kudoksiin, leviin, sieniin jne., joten se on monipuolinen tekniikka eri aloilla.
  Skaalattavuus: Ultraäänitekniikka voidaan skaalata teollisiin prosesseihin, joten se soveltuu sekä laboratorioihin että suuren mittakaavan tuotantosovelluksiin.

Ultraäänihajotuksen ja solujen hajotuksen toimintaperiaate

Ultraäänikäsittely synnyttää käsiteltävään nesteeseen vuorottelevia korkea- ja matalapaineaaltoja. Matalapainejakson aikana ultraääniaallot muodostavat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia, jotka romahtavat rajusti korkeapainejakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Kavitaatiokuplan romahtaminen aiheuttaa voimakkaita hydrodynaamisia leikkausvoimia, jotka aiheuttavat ensin sonoporaation ja sen jälkeen solurakenteiden tehokkaan hajotuksen. Solunsisäiset molekyylit ja soluelimet vapautuvat kokonaan liuottimeen.

Solurakenteiden hajotus ultraäänellä

Leikkausvoimat voivat hajottaa kuitumaisen, selluloosapitoisen materiaalin hienoiksi hiukkasiksi ja rikkoa solurakenteen seinämät. Tämä vapauttaa nesteeseen enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä tai sokeria. Lisäksi soluseinämateriaali hajoaa pieniksi kappaleiksi.

Tätä vaikutusta voidaan hyödyntää orgaanisen aineen fermentoinnissa, hajotuksessa ja muissa muuntoprosesseissa. Myllytyksen ja jauhatuksen jälkeen ultraäänikäsittely tuo enemmän solunsisäistä materiaalia, esimerkiksi tärkkelystä, sekä soluseinien hajotuksessa syntyneitä kappaleita tärkkelystä sokereiksi muuttavien entsyymien saataville. Se lisää myös entsyymeille altistuvaa pinta-alaa nesteytyksen tai sokeroinnin aikana. Tämä lisää tyypillisesti hiivakäymisen ja muiden muuntoprosessien nopeutta ja saantoa, esimerkiksi tehostaen etanolin tuotantoa biomassasta.

Hyödynnä ultraäänihajotusta – luotettavasti ja tehokkaasti kaikissa mittakaavoissa

Hielscher tarjoaa ultraäänilaitteita eri nimellistehoilla ja käsittelykapasiteeteilla. Halusitpa ultraäänikäsitellä pieniä biologisia näytteitä muutamasta mikrolitrasta muutamaan litraan tai käsitellä suuria solu- tai biomassavirtoja tuotantoa varten, Hielscher Ultrasonics tarjoaa biologiseen sovellukseesi parhaiten sopivan ultraäänihajottimen.

• laboratoriomittakaava 1 mL:sta noin 5 L:aan, esimerkiksi UP400St, jossa on 22 mm:n sonotrodi
• pöytälaitemittakaava noin 0,1–20 L/min, esimerkiksi UIP1000hdT, jossa on 34 mm:n sonotrodi ja virtauskenno
• tuotantomittakaava alkaen tilavuusvirrasta 20 L/min, esimerkiksi UIP4000hdT tai UIP16000hdT

Alla oleva taulukko antaa käsityksen laboratoriokokoisten ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Käytä alla olevaa lomaketta, jos haluat lisätietoja ultraäänilaitteiden käytöstä solujen hajotukseen. Autamme mielellämme.

Alla oleva taulukko antaa käsityksen teollisten ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Kirjallisuus / Lähteet

• 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.