Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

Ihmisen maidon oligosakkaridien (HMOs) biosynteesi käymisen tai entsymaattisten reaktioiden kautta on monimutkainen, vievä ja usein matalan tuottoisen prosessin prosessi. Ultrasonication lisää massan siirtoa substraatin ja solutehtaiden välillä, mikä stimuloi solujen kasvua ja aineenvaihduntaa. Näin sonikaatio tehostaa käymistä ja biokemiallisia prosesseja, mikä johtaa nopeutettuun ja tehokkaampaan hmo-aineiden tuotantoon.

Ihmisen maito Oligosakkaridit

Ihmisen maito oligosakkaridit (HMOs), joka tunnetaan myös nimellä ihmisen maitoglykaanit, ovat sokerimolekyylejä, jotka ovat osa oligosakkarideja ryhmään. Merkittäviä esimerkkejä kansalaisjärjestöistä ovat 2'-fucosyllactose (2′-FL), lakto-N-neotetraoosi (LNnT), 3'-galaktosyllactoosi (3′-GL) ja difukollansi (DFL).
Vaikka ihmisen rintamaito onkostettu enemmän kuin eri 150 HMO rakenteita, vain 2′-fucosyllactose (2′-FL) ja lacto-N-neotetraose (LNnT) tuotetaan tällä hetkellä kaupallisella tasolla ja käytetään ravitsemuksellisia lisäaineita äidinmaidonkorvikkeen.
Ihmisen maito oligosakkarideja (HMOs) tunnetaan niiden merkityksestä vauvan ravitsemus. Ihmisen maito oligosakkaridit ovat ainutlaatuinen ravintoaineita, jotka toimivat prebiootteina, anti-liima mikrobilääkkeinä ja immunomodulaattoreina lapsen suolistossa ja edistävät merkittävästi aivojen kehitystä. HmOs löytyy yksinomaan äidinmaitoon; muilla nisäkkäiden maimilla (esim. lehmällä, vuohella, lampailla, kamelilla jne.) ei ole tällaista oligosakkaridien erityismuotoa.
Ihmisen maito oligosakkaridit ovat kolmanneksi runsain kiinteä osa ihmisen maitoa, joka voi esiintyä joko liuennut tai emulgoitu tai suspendoitu muodossa vedessä. Laktoosi ja rasvahapot ovat runsaimmat kiinteät aineet löytyy äidinmaitoon. Hmoja esiintyy 0,35–0,88 unssia (9, 9–24,9 g) / l. Noin 200 rakenteellisesti erilaista ihmisen maidon oligosakkarideja tiedetään. Hallitseva oligosakkaridi 80%: lla kaikista naisista on 2′-fukosyllactoosi, joka esiintyy äidinmaitoon, jonka pitoisuus on noin 2, 5 g/ l.
Koska HMOs ei sulaa, ne eivät kalorisesti edistää ravitsemusta. Koska sulava hiilihydraatit, ne toimivat prebiootit ja valikoivasti käynyt toivottavaa suoliston mikroflooraa, erityisesti bifidobakteerit.

Terveyshyödyt ihmisen maito oligosakkarideja (HMOs)

• edistää imeväisten kehitystä
• ovat tärkeitä aivojen kehittämiseen
• on tulehdusta ja
• anti-liima vaikutuksia ruoansulatuskanavan
• tukee immuunijärjestelmää aikuisilla

Ihmisen maidon oligosakkaridien biosynteesi

Solutehtaat ja entsymaattiset / kemoterapia-entsymaattiset järjestelmät ovat nykyisiä tekniikoita, joita käytetään hmojen synteesiin. Teollisessa mittakaavassa hmo-tuotannossa voidaan toteuttaa hmo-biotuotannon mahdollistavien keinojen avulla mikrobisolutehtaiden, biokemiallisen synteesin ja erilaisten entsymaattisten reaktioiden käyminen. Taloudellisten syiden vuoksi mikrobisolutehtaiden kautta tekninen biosynteesi on tällä hetkellä ainoa tekniikka, jota käytetään teollisessa tuotantotasossa.

Fermentointi HMOs käyttäen mikrobien solutehtaita

E.coli, Saccharomyces cerevisiae ja Lactococcus lactis ovat yleisesti käytettyjä solutehtaita, joita käytetään biologisten molekyylien, kuten HMO:n, biotuotantoon. Fermentointi on biokemiallinen prosessi, jossa käytetään mikro-organismeja substraatin muuntamiseksi kohdistettaviin biologisiin molekyylejä. Mikrobisolutehtaat käyttävät yksinkertaisia sokereita substraattina, jonka ne muuntavat HMO: ksi. Koska yksinkertaiset sokerit (esim. laktoosi) ovat runsas, halpa substraatti, tämä pitää biosynteesiprosessin kustannustehokkaana.
Kasvuun ja biokononopeuteen vaikuttavat pääasiassa ravinteiden (substraatin) massansiirto mikro-organismeihin. Massansiirtonopeus on tärkein tekijä, joka vaikuttaa tuotesynteesiin käymisen aikana. Ultrasonication on tunnettu edistää massan siirtoa.
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

Ultraäänellä edistettävä käyminen

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression) / low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “hot-spot”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
Tarkasti kontrolloitu, lievä sonikaatio on tunnettu voimistaa käymisprosesseja.
Sonikaatio parantaa "tuottavuutta monien bioprosessien mukana elävien solujen parantamalla substraatin kertymistä, parantaa tuotantoa tai kasvua lisäämällä solujen huokoisuus, ja mahdollisesti parantaa vapauttamista solujen komponentteja." (Naveena et al. 2015)
Read more about ultrasonically-assisted fermentation!
Ultraäänellä tehostetun käymisen edut

• lisääntynyt saanto
• Nopeutettu käyminen
• Solukohtainen stimulaatio
• Parannettu substraatin kertyminen
• Lisääntynyt Solu Porosity
• helppo käyttää
• turvallinen
• Yksinkertainen jälkiasennus
• lineaarinen asteikko
• Erän tai Iniine-käsittely
• nopea RoI

Naveena et al. (2015) totesi, että ultraääni tehostaminen tarjoaa useita etuja biokäsittelyn aikana, mukaan lukien alhaiset käyttökustannukset verrattuna muihin parantaviin hoitovaihtoehtoihin, toiminnan yksinkertaisuuteen ja vaatimattomiin tehovaatimuksiin.

Korkean suorituskyvyn ultraääni fermentointi reaktorit

Fermentointiprosesseihin kuuluu eläviä mikro-organismeja, kuten bakteereja tai hiivaa, jotka toimivat solutehtaina. Vaikka sonikaatiota käytetään massansiirron edistämiseen ja mikro-organismin kasvun ja muuntonopeuden lisäämiseen, on tärkeää valvoa ultraääniintensiteettiä tarkasti solutehtaiden tuhoutumisen välttämiseksi.
Hielscher Ultrasonics on erikoistunut korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita suunnitteluun, valmistukseen ja jakeluun, joita voidaan tarkasti ohjata ja seurata, jotta varmistetaan ylivoimainen käymisaste.
Prosessin hallinta ei ole välttämätöntä vain korkean tuoton ja erinomaisen laadun kannalta, vaan se mahdollistaa tulosten toistamisen ja toistamisen. Varsinkin kun ist tulee stimulaatio solutehtaiden, solu-erityinen mukauttaminen sonikaatio parametrit on välttämätöntä saavuttaa korkean tuoton ja estää solujen hajoamista. Siksi kaikki Hielscherin ultraäänilaitteiden digitaaliset mallit on varustettu älykkäillä ohjelmistoilla, joiden avulla voit säätää, seurata ja tarkistaa sonikointiparametreja. Ultraääniprosessin parametrit, kuten amplitudi, lämpötila, paine, sonikoinnin kesto, käyttöjaksot ja energian syöttö, ovat välttämättömiä HMO:n tuotannon edistämiseksi käymisen kautta.
Hielscher ultrasonicatorsin älykäs ohjelmisto tallentaa automaattisesti kaikki tärkeät prosessiparametrit integroidulle SD-kortille. Sonikaatioprosessin automaattinen tietojen tallennus on perusta prosessin standardoinnille ja toistettavuudelle / toistettavuudelle, joita tarvitaan hyviin valmistuskäytäntöihin (GMP).

Ultraääni rehtorit fermentointiin

Hielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
On tunnettua, että ultraäänisonotroden sijainti reaktioastiassa vaikuttaa kavitaatio- ja mikrovirtaus-aineen jakautumiseen. Sonotrode ja ultraäänireaktori on valittava soluliemen käsittelytilavuuden mukaisesti. Vaikka sonikointi voidaan suorittaa sekä erässä että jatkuvassa tilassa, suurille tuotantomäärille suositellaan jatkuvan virtausasennuksen käyttöä. Läpi ultraääni virtaussolu, kaikki soluväliaine saa täsmälleen sama altistuminen sonikaatio varmistaa tehokkain hoito. Hielscher Ultrasonics laaja valikoima ultraäänikontureita ja virtaussolureaktoreita mahdollistaa ihanteellisen ultraäänibiokäsittelyn asennuksen.

Hielscher Ultrasonics – Laboratoriosta pilotiin ja tuotantoon

Hielscher Ultrasonics kattaa ultraäänilaitteiden täyden kirjon, joka tarjoaa kompakteja kädessä pidettäviä ultraäänihomogenisaattorit näytteen valmisteluun penkki- ja pilottijärjestelmiin sekä tehokkaat teolliset ultraääniyksiköt, jotka helposti käsittelevät kuorma-autokuormat tunnissa. Koska Hielscher ultrasonicators on monipuolinen ja joustava asennus- ja asennusvaihtoehdoissa, ne voidaan helposti integroida kaikenlaisiin eräreaktoreihin, syöttöeriin tai jatkuviin läpivirtausasetuksiin.
Erilaiset lisävarusteet sekä räätälöidyt osat mahdollistavat ultraääniasetusten ihanteellisen mukauttamisen prosessivaatimuksiin.
Rakennettu 24 / 7 käyttöön täydellä kuormituksella ja raskaalla työllä vaativissa olosuhteissa, Hielscher ultraääni prosessorit ovat luotettavia ja vaativat vain vähän huoltoa.
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: