Ihmisen maidon oligosakkaridien biosynteettinen tuotanto

Ihmisen maidon oligosakkaridien (HMO) biosynteesi fermentoinnin tai entsymaattisten reaktioiden avulla on monimutkainen, kuluttava ja usein heikkotuottoinen prosessi. Ultrasonication lisää massansiirtoa substraatin ja solutehtaiden välillä ja stimuloi solujen kasvua ja aineenvaihduntaa. Siten sonikaatio tehostaa käymistä ja biokemiallisia prosesseja, mikä johtaa HMO: iden nopeutettuun ja tehokkaampaan tuotantoon.

Äidinmaidon oligosakkaridit

Ihmisen maidon oligosakkaridit (HMO), jotka tunnetaan myös nimellä ihmisen maidon glykaanit, ovat sokerimolekyylejä, jotka ovat osa oligosakkaridiryhmää. Merkittäviä esimerkkejä HMO: ista ovat 2'-fukosyllaktoosi (2′-FL), lakto-N-neotetraoosi (LNnT), 3'-galaktosyllaktoosi (3′-GL) ja difukosyllaktoosi (DFL).
Vaikka ihmisen rintamaito koostuu useammasta kuin erilaisesta 150 HMO-rakenteesta, vain 2′-fukosyllaktoosia (2′-FL) ja lakto-N-neotetraoosia (LNnT) tuotetaan tällä hetkellä kaupallisella tasolla ja käytetään äidinmaidonkorvikkeiden ravitsemuksellisina lisäaineina.
Ihmisen maidon oligosakkaridit (HMO) tunnetaan merkityksestään vauvan ravitsemuksessa. Ihmisen maidon oligosakkaridit ovat ainutlaatuinen ravintoainetyyppi, joka toimii prebiootteina, anti-adhesiivisina mikrobilääkkeinä ja immunomodulaattoreina lapsen suolistossa ja edistää merkittävästi aivojen kehitystä. HMO: ita löytyy yksinomaan ihmisen äidinmaidosta; Muissa nisäkäsmaidoissa (esim. lehmä, vuohi, lammas, kameli jne.) ei ole näitä erityisiä oligosakkarideja.
Ihmisen maidon oligosakkaridit ovat kolmanneksi runsain kiinteä komponentti ihmisen maidossa, joka voi olla joko liuenneessa tai emulgoidussa tai suspendoituneessa muodossa vedessä. Laktoosi ja rasvahapot ovat ihmisen maidossa esiintyviä runsaimpia kiintoaineita. HMO: t ovat läsnä pitoisuutena 0,35–0,88 unssia (9,9–24,9 g) / l. Noin 200 rakenteellisesti erilaista ihmisen maidon oligosakkaridia tunnetaan. Hallitseva oligosakkaridi 80%: lla kaikista naisista on 2′-fukosyllaktoosi, jota on ihmisen äidinmaidossa noin 2,5 g/l.
Koska HMO: t eivät sula, ne eivät edistä kalorisesti ravitsemusta. Koska ne ovat sulamattomia hiilihydraatteja, ne toimivat prebiootteina ja toivottava suoliston mikrofloora, erityisesti bifidobakteerit, fermentoivat niitä valikoivasti.

Ihmisen maidon oligosakkaridien biosynteesi

Solutehtaat ja entsymaattiset / kemoentsymaattiset järjestelmät ovat nykyisiä tekniikoita, joita käytetään HMO: iden synteesiin. HMO-tuotannossa teollisessa mittakaavassa mikrobisolutehtaiden käyminen, biokemiallinen synteesi ja erilaiset entsymaattiset reaktiot ovat toteuttamiskelpoisia tapoja HMO:n biotuotantoon. Taloudellisista syistä johtuen biosynteesi mikrobisolutehtaiden kautta on tällä hetkellä ainoa tekniikka, jota käytetään HMO:iden teollisessa tuotannossa.

HMO: iden käyminen mikrobisolutehtailla

E.coli, Saccharomyces cerevisiae ja Lactococcus lactis ovat yleisesti käytettyjä solutehtaita, joita käytetään biologisten molekyylien, kuten HMO:iden, biotuotantoon. Fermentointi on biokemiallinen prosessi, jossa käytetään mikro-organismeja substraatin muuntamiseksi kohdennetuiksi biologisiksi molekyyleiksi. Mikrobisolutehtaat käyttävät substraattina yksinkertaisia sokereita, jotka ne muuttavat HMO: iksi. Koska yksinkertaiset sokerit (esim. laktoosi) ovat runsas, halpa substraatti, tämä pitää biosynteesiprosessin kustannustehokkaana.
Kasvuun ja biokonversionopeuteen vaikuttaa pääasiassa ravinteiden (substraatin) massansiirto mikro-organismeihin. Massansiirtonopeus on tärkein tekijä, joka vaikuttaa tuotteen synteesiin käymisen aikana. Ultrasonication tiedetään edistävän massansiirtoa.
Fermentoinnin aikana bioreaktorin olosuhteita on jatkuvasti seurattava ja säädettävä, jotta solut voivat kasvaa mahdollisimman nopeasti tuottaakseen sitten kohteena olevia biomolekyylejä (esim. oligosakkaridit kuten HMO:t; insuliini; rekombinanttiproteiinit). Teoriassa tuotteen muodostuminen alkaa heti, kun soluviljelmä alkaa kasvaa. Kuitenkin erityisesti geneettisesti muunnetuissa soluissa, kuten muokatuissa mikro-organismeissa, se indusoidaan yleensä myöhemmin lisäämällä substraattiin kemiallista ainetta, joka säätelee kohteena olevan biomolekyylin ilmentymistä. Ultraäänibioreaktoreita (sono-bioreaktori) voidaan ohjata tarkasti ja mahdollistaa mikrobien spesifinen stimulaatio. Tämä johtaa nopeutettuun biosynteesiin ja korkeampiin saantoihin.
Ultraäänilyysi ja uuttaminen: Monimutkaisten HMO: iden käymistä saattavat rajoittaa alhaiset käymistiitterit ja solunsisäiset tuotteet. Ultraäänilyysiä ja uuttamista käytetään solunsisäisen materiaalin vapauttamiseen ennen puhdistusta ja loppupään prosesseja.

Ultraäänellä edistetty käyminen

Mikrobien, kuten Escherichia colin, muokatun E.colin, Saccharomyces cerevisiaen ja Lactococcus lactisin, kasvunopeutta voidaan nopeuttaa lisäämällä massansiirtonopeutta ja soluseinän läpäisevyyttä soveltamalla hallittua matalataajuista ultrasonicationia. Lievänä, ei-lämpökäsittelytekniikkana ultrasonication soveltaa puhtaasti mekaanisia voimia käymisliemeen.
Akustinen kavitaatio: Sonikoinnin toimintaperiaate perustuu akustiseen kavitaatioon. Ultraäänianturi (sonotrode) yhdistää matalataajuiset ultraääniaallot väliaineeseen. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi luoden vuorottelevia korkeapaineisia (puristus) / matalapaineisia (harvinaisia) syklejä. Puristamalla ja venyttämällä nestettä vuorotellen syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä pienet tyhjiökuplat kasvavat useiden syklien aikana, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät pysty absorboimaan enää energiaa. Tässä maksimaalisen kasvun vaiheessa tyhjiökupla luhistuu voimakkaasti ja luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, jotka tunnetaan kavitaatioilmiönä. Kavitaatiossa "kuumassa pisteessä" voidaan havaita korkeita paine- ja lämpötilaeroja ja voimakkaita leikkausvoimia nestesuihkuilla, joiden nopeus on jopa 280 m / s. Näillä kavitaatiovaikutuksilla saavutetaan perusteellinen massansiirto ja sonoporaatio (soluseinien ja solukalvojen rei'itys). Substraatin ravinteet kierrätetään eläviin kokonaisiin soluihin ja eläviin kokonaisiin soluihin, jotta solutehtaat saavat optimaalisen ravinnon ja kasvu sekä muuntokurssit nopeutuvat. Ultraäänibioreaktorit ovat yksinkertainen, mutta erittäin tehokas strategia biomassan käsittelemiseksi yhden potin biosynteesiprosessissa.
Tarkasti kontrolloitu, lievä sonikaatio tunnetaan hyvin käymisprosessien tehostamiseksi.
Sonikaatio parantaa "monien eläviä soluja sisältävien bioprosessien tuottavuutta parantamalla substraatin ottoa, tehostamalla tuotantoa tai kasvua lisäämällä solujen huokoisuutta ja mahdollisesti parantamalla solukomponenttien vapautumista". (Naveena ym. 2015)
Lue lisää ultraääniavusteisesta käymisestä!

(2015) havaitsi, että ultraäänitehostaminen tarjoaa useita etuja bioprosessoinnin aikana, mukaan lukien alhaiset käyttökustannukset verrattuna muihin parantaviin hoitovaihtoehtoihin, toiminnan yksinkertaisuus ja vaatimattomat tehovaatimukset.

Korkean suorituskyvyn ultraäänifermentointireaktorit

Käymisprosesseissa käytetään eläviä mikro-organismeja, kuten bakteereja tai hiivaa, jotka toimivat solutehtaina. Vaikka sonikaatiota käytetään massansiirron edistämiseksi ja mikro-organismien kasvun ja muuntokurssin lisäämiseksi, on ratkaisevan tärkeää hallita ultraääniintensiteettiä tarkasti, jotta vältetään solutehtaiden tuhoutuminen.
Hielscher Ultrasonics on erikoistunut korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteiden suunnitteluun, valmistukseen ja jakeluun, joita voidaan tarkasti valvoa ja seurata ylivoimaisten käymistuottojen varmistamiseksi.

Prosessinohjaus ei ole välttämätöntä vain korkean saannon ja erinomaisen laadun kannalta, vaan se mahdollistaa tulosten toistamisen ja toistamisen. Erityisesti solutehtaiden stimuloinnissa sonikaatioparametrien solukohtainen sopeutuminen on välttämätöntä korkean saannon saavuttamiseksi ja solujen hajoamisen estämiseksi. Siksi kaikki Hielscher-ultraäänilaitteiden digitaaliset mallit on varustettu älykkäällä ohjelmistolla, jonka avulla voit säätää, seurata ja tarkistaa sonikaatioparametreja. Ultraääniprosessiparametrit, kuten amplitudi, lämpötila, paine, sonikaatiokesto, käyttöjaksot ja energian syöttö, ovat välttämättömiä HMO-tuotannon edistämiseksi käymisen kautta.
Hielscher-ultraäänilaitteiden älykäs ohjelmisto tallentaa automaattisesti kaikki tärkeät prosessiparametrit integroidulle SD-kortille. Sonikaatioprosessin automaattinen tietojen tallennus on perusta prosessin standardoinnille ja toistettavuudelle / toistettavuudelle, joita tarvitaan hyviin tuotantotapoihin (GMP).

Ultraäänirehtorit käymiseen

Hielscher tarjoaa erikokoisia, -pituisia ja -geometrisia ultraääniantureita, joita voidaan käyttää sekä erä- että jatkuviin läpivirtauskäsittelyihin. Ultraäänireaktorit, jotka tunnetaan myös nimellä sono-bioreaktorit, ovat saatavilla mihin tahansa tilavuuteen, joka kattaa ultraäänibioprosessoinnin pienistä laboratorionäytteistä pilotti- ja täysin kaupalliseen tuotantotasoon.
On hyvin tunnettua, että ultraäänisonotrodin sijainti reaktioastiassa vaikuttaa kavitaation ja mikrovirran jakautumiseen väliaineessa. Sonotrode ja ultraäänireaktori tulisi valita soluliemen käsittelytilavuuden mukaan. Vaikka sonikaatio voidaan suorittaa sekä erässä että jatkuvassa tilassa, suurille tuotantomäärille suositellaan jatkuvan virtauksen asennuksen käyttöä. Ultraäänivirtaussolun läpi kulkeva soluväliaine saa täsmälleen saman altistumisen sonikaatiolle, mikä takaa tehokkaimman hoidon. Hielscher Ultrasonics laaja valikoima ultraäänikoettimia ja virtaussolureaktoreita mahdollistaa ihanteellisen ultraäänibioprosessointiasetuksen kokoamisen.

Hielscher Ultrasonics – Laboratoriosta pilottiin ja tuotantoon

Hielscher Ultrasonics kattaa koko spektrin ultraäänilaitteita, jotka tarjoavat kompakteja kädessä pidettäviä ultraäänihomogenisaattoreita näytteen valmistukseen penkki- ja pilottijärjestelmiin sekä tehokkaita teollisia ultraääniyksiköitä, jotka käsittelevät helposti kuorma-autokuormia tunnissa. Koska Hielscher-ultraääniastiat ovat monipuolisia ja joustavia asennus- ja asennusvaihtoehdoissa, ne voidaan helposti integroida kaikenlaisiin eräreaktoreihin, syötettyihin eriin tai jatkuviin läpivirtausasetuksiin.
Erilaiset lisävarusteet sekä räätälöidyt osat mahdollistavat ultraääniasetusten ihanteellisen mukauttamisen prosessivaatimuksiisi.
Rakennettu 24/7 käyttöön täydellä kuormituksella ja raskaassa käytössä vaativissa olosuhteissa, Hielscherin ultraääniprosessorit ovat luotettavia ja vaativat vain vähän huoltoa.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: