Bioteknologisia bakteerilajeja, kuten E. coli- bakteerilajeja sekä muuntogeenisiä nisäkäs- ja kasvisolutyyppejä, käytetään biotekniikassa laajalti molekyylien ilmaisemiseen. Näiden syntetisoitujen biomolekyylien vapauttamiseksi tarvitaan luotettava solujen häiriötekniikka. Korkean suorituskyvyn ultrasonication on todistettu menetelmä tehokkaaseen ja luotettavaan solulyysiin – helposti skaalattavissa suuriin siirtoihin. Hielscher Ultrasonics tarjoaa sinulle korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita tehokkaaseen solulyysiin tuottaaksesi suuria määriä korkealaatuisia biomolekyylejä.

Molekyylien uuttaminen solutehtaista

Monenlaisten biomallien tuotantoon mikrobisolutehtaina voidaan käyttää erilaisia suunniteltuja mikrobeja ja kasvisoluja, mukaan lukien Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana ja levät. Nämä solutehtaat voivat tuottaa proteiineja, lipidejä, biokemikaaleja, polymeerejä, biopolttoaineita ja öljykemikaaleja, joita käytetään elintarvikkeina tai raaka-aineina teollisiin sovelluksiin. Solutehtaina käytettäviä soluja viljellään suljetuissa bioreaktoreissa, joissa ne voivat saavuttaa korkean tehokkuuden, spesifisyyden ja alhaiset energiatarpeet.
Kohdemolekyylien eristämiseksi biotekniikan soluviljelmistä solut on keskeytettävä niin, että solunsisäinen materiaali vapautuu. Ultraäänisolujen hajottajat ovat vakiintuneet erittäin luotettavaksi ja tehokkaaksi tekniikaksi solujen hajoamiseen ja yhdisteiden vapautumiseen.

Mikrobisolutehtaat ovat metabolisesti suunniteltuja soluja, joita käytetään erilaisten arvokkaiden yhdisteiden synteesiin. Ultraäänisolujen häiriö on tehokas ja luotettava menetelmä arvokkaiden yhdisteiden vapauttamiseksi solun sisätiloista.
tutkimus ja grafiikka: ©Villaverde, 2010.

Ultraäänisolujen hajottajien edut

Ei-termisenä, lievänä, mutta erittäin tehokkaana teknologiana ultraäänihäiritsijöitä käytetään laboratoriossa ja teollisuudessa solujen lyssoriin ja korkealaatuisten uutteiden tuottamiseen, esimerkiksi molekyylien eristämiseen solutehtaista.

Teho-ultraääni mikrobisolutehtaiden tehokkaaseen häiriöön

Ultraäänisolujen hajottajien mekanismi ja vaikutukset:
Ultraäänisolujen häiriö käytti ultraääniaaltojen voimaa. Ultraäänihomogenisaattori / solujen hajottaja on varustettu titaaniseoksesta valmistetulla koettimella (alias sonotrodi), joka värähtelee suurella taajuudella n. 20 kHz. Tämä tarkoittaa, että ultraäänianturi yhdistää 20 000 värähtelyä sekunnissa sonikoituun nesteeseen. Nesteeseen kytketyille ultraääniaalloille on ominaista vuorottelevat korkeapaine- / matalapainesyklit. Matalapainesyklin aikana neste laajenee ja syntyy pieniä tyhjiökuplia. Nämä hyvin pienet kuplat kasvavat useiden vuorottelevien painesyklien aikana, kunnes ne eivät pysty absorboimaan enää energiaa. Tässä vaiheessa kavitaatiokuplat luhistuvat voimakkaasti ja luovat paikallisesti poikkeuksellisen energiatiheän ympäristön. Tätä ilmiötä kutsutaan akustiseksi kavitaatioksi, ja sille on ominaista paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat, erittäin korkeat paineet ja leikkausvoimat. Nämä leikkausrasitukset rikkovat tehokkaasti soluseinät ja lisäävät massansiirtoa solun sisätilan ja ympäröivän liuottimen välillä. Puhtaasti mekaanisena tekniikkana käytetään laajalti ultraäänellä tuotettuja leikkausvoimia ja suositeltua menettelyä bakteerisolujen häiriöihin sekä proteiinin eristämiseen. Yksinkertaisena ja nopeana solujen häiriömenetelmänä sonikaatio on ihanteellinen pienten, keskisuurten ja suurten määrien eristämiseen. Hielscherin digitaaliset ultraäänilaitteet on varustettu selkeällä asetusvalikolla tarkkaa sonikaatio-ohjausta varten. Kaikki sonikaatiotiedot tallennetaan automaattisesti sisäänrakennetulle SD-kortille, ja ne ovat yksinkertaisesti käytettävissä. Hienostuneet lämmönpoistovaihtoehdot, kuten ulkoinen jäähdytys, sonikaatio puls-tilassa jne.

Tutkimus korostaa ultraäänisolujen häiriöiden ja uuttamisen vahvuuksia

Professori Chemat et al. (2017) jatkaa tutkimuksessaan, että "ultraääniavusteinen uuttaminen on vihreä ja taloudellisesti kannattava vaihtoehto tavanomaisille tekniikoille elintarvikkeille ja luonnontuotteille. Tärkeimmät edut ovat uuttamis- ja käsittelyajan lyhentäminen, käytetyn energian ja liuottimien määrä, yksikkötoiminnot ja CO₂ päästöt."
Gabig-Ciminska et al. (2014) käytti korkeapaine homogenisaattoria ja ultraäänisoludsitoutinta itiöiden lyysitutkimuksessaan DNA: n vapauttamiseksi. Molempia solujen häiriömenetelmiä vertaileva tutkimusryhmä päättelee, että itiö-DNA: n solulyysin osalta "analyysi on tehty käyttämällä solulysaatteja korkeapainehomogenisaatiosta. Jälkeenpäin tajusimme, että ultraäänisoluhäiriöllä on erinomaisia etuja tähän tarkoitukseen. Se on melko nopea ja sitä voidaan käsitellä pienillä näytemäärillä." (Gabig-Ciminska et al., 2014)

Biomolekyylejä solutehtaista elintarviketuotantoon

Mikrobisolutehtaat ovat toteuttamiskelpoinen ja tehokas tuotantomenetelmä, jossa mikrobiorganismeja käytetään tuottamaan suuria saantoja alkuperäisiä ja ei-alkuperäisiä metaboliitteja mikrobien mikro-organismien, kuten bakteerien, hiivojen, sienien jne. Irtoentsyymit valmistetaan esimerkiksi mikro-organismeista, kuten Aspergillus oryzae, sienet ja bakteerit. Näitä irtoentsyymiä käytetään elintarvikkeiden ja juomien tuotantoon sekä maatalouteen, bioenergiaan ja kotitalouksien hoitoon.
Tietyt bakteerit, kuten asetakteri ksylinum ja glukonasetobakteeri xylinus, tuottavat selluloosaa käymisprosessin aikana, jossa nanokuidut syntetisoidaan alhaalta ylöspäin suuntautuvassa prosessissa. Bakteeriselluloosa (tunnetaan myös nimellä mikrobiselluloosa) vastaa kemiallisesti kasviselluloosaa, mutta sillä on korkea kiteisyys ja korkea puhtaus (ilman ligniiniä, hemiselluloosaa, pektiiniä ja muita biogeenisiä komponentteja) sekä ainutlaatuinen rakenne selluloosan nanokuitu-kudottu kolmiulotteinen (3D) verkko. (vrt. Zhong, 2020) Kasviperäiseen selluloosaan verrattuna bakteeriselluloosa on kestävämpää ja tuotettu selluloosa puhdasta eikä vaadi monimutkaisia puhdistusvaiheita. Ultrasonication ja liuotinuutto NaOH: lla tai SDS: llä (natriumdodekyylisulfaatti) ovat erittäin tehokkaita bakteeriselluloosan erottamiseksi bakteerisoluista.

Biomolekyylejä solutehtaista farmaseuttiseen ja rokotetuotantoon

Yksi merkittävimmistä solutehtaista saaduista farmaseuttisista tuotteista on ihmisinsuliini. Bioteknisen insuliinin tuotannossa käytetään pääasiassa E. colia ja Saccharomyces cerevisiaea. Koska biosyntetisoidut nanokokoiset molekyylit tarjoavat korkean bioyhteensopivuuden, biologiset nanopartikkelit, kuten ferritiini, ovat edullisia lukuisille biovalmistuksen sovelluksille. Lisäksi metabolisesti suunniteltujen mikrobien tuotanto on usein huomattavasti tehokkaampaa saaduissa saannoissa. Esimerkiksi artemisiinihapon, resveratrolin ja lykopeenin tuotanto on kymmenkertaistunut useisiin satoihin, ja se on jo perustettu tai kehitteillä teollisessa mittakaavassa. (vrt. Liu et al.; Mikrob. Solun fakta. 2017)
Esimerkiksi proteiinipohjaiset nanokokoiset biomolekyylit, joilla on itsekokoavia ominaisuuksia, kuten ferritiini ja virusmäiset hiukkaset, ovat erityisen mielenkiintoisia rokotteiden kehittämisessä, koska ne jäljittelevät sekä patogeenien kokoa että rakennetta ja ovat avattavissa antigeenien pintakonjugaatioon edistääkseen vuorovaikutusta immuunisolujen kanssa. Tällaiset molekyylit ilmaistaan niin sanotuissa solutehtaissa (esim. suunnitellut E. coli -kannat), jotka tuottavat tietyn kohdemolekyylin.

Ultraäänilyysin ja E. coli BL21: n protokolla ferritiinien vapauttamiseksi

Ferritiini on proteiini, jonka ensisijainen tehtävä on raudan varastointi. Ferritiini osoittaa lupaavia ominaisuuksia itsekokoavina nanopartikkeleina rokotteissa, joissa sitä käytetään rokotteen annosteluvälineenä (esim. SARS-Cov-2-piikkiproteiinit). Sun et. al. (2016) osoittaa, että rekombinantti ferritiini voidaan vapauttaa liukoisena muotona Escherichia colista pieninä NaCl-pitoisuuksina (≤50 mmol/ l). Ferritiinin ilmaisemiseksi E. coli BL21:ssä ja ferrtiinin vapauttamiseksi sovellettiin onnistuneesti seuraavaa protokollaa. Rekombinantti pET- 28a/ ferritiiniplasmidi muutettiin E coli BL21 (DE3) -kannaksi. Ferritiini E coli BL21 (DE3) - soluja viljeltiin LB- kasvualustassa 0, 5%: lla kanamysiiniä 37 ° C: ssa ja indusoitiin OD600: ssa 0, 6: ssa ja 0, 4% isopropyyli- β- D- tiogalakstopyranosidea 3 tunnin ajan 37 ° C: ssa. Lopullinen kulttuuri korjattiin sentrifugoimalla 8000 g: ssa 10 minuutin ajan 4 ° C: ssa, ja pelletti kerättiin. Sitten pelletti suspendoitiin uudelleen LB-väliaineena (1% NaCl, 1% Typone, 0, 5% hiivauute) / lyysipuskuriin (20 mmol / l Tris, 50 mmol / L NaCl, 1 mmol / L EDTA, pH 7, 6) ja eri pitoisuuksina NaCl- liuosta (0, 50, 100, 170 ja 300 mmol / l). Bakteerisolulyysiä varten sonikaatiota käytettiin pulssitilassa: esim. ultraäänilaite UP400St 100% amplitudilla, jonka käyttöjakso on 5 sekuntia PÄÄLLÄ, 10 sekunnin päässä, 40 syklin ajan) ja sentrifugoitiin sitten 10 000 g: ssa 15 minuutin ajan 4 °C: ssa. Supernatanttia ja sakka-sulfaattia analysoi natriumdodekyylisulfaatti polyakryyliamidigeelielektroforeesi (SDS- PAGE). Kaikki natriumdodekyylisulfaattitahroilla värjätyt geelit skannattiin korkearesoluutioisella skannerilla. Geelikuvat analysoitiin Magic Chemi 1D -ohjelmistolla. Optimaalisen selkeyden saavuttamiseksi proteiinikaistat havaittiin säätämällä parametreja. Bändien tiedot on tuotettu teknisistä kolmikantaista. (vrt. su et ai., 2016)

Ultraäänikennohäiritsijät solutehtaiden teolliseen lyysiin

Ultraäänilyysi ja uuttaminen on luotettava ja mukava menetelmä metaboliittien vapauttamiseksi solutehtaista ja auttaa siten kohdemolekyylien tehokasta tuotantoa. Ultraäänikennohäiritsijöitä on saatavana laboratoriosta teolliseen kokoon ja prosessit voidaan skaalata täysin lineaarisiksi.
Hielscher Ultrasonics on pätevä kumppani korkean suorituskyvyn ultraäänihäiritsijöille ja sillä on pitkäaikainen kokemus ultraäänijärjestelmien istuttamisesta penkki-top- ja teollisuusympäristöissä.
Kun kyse on hienostuneesta laitteistosta ja ohjelmistosta, Hielscher Ultrasonics -solujen häiriöjärjestelmät täyttävät kaikki vaatimukset optimaaliselle prosessinohjailulle, helpolle toiminnalle ja käyttäjäystävällisyyksille. Hielscherin ultraäänilauletinten asiakkaat ja käyttäjä arvostavat hielscherin ultraäänisolujen hajottajien ja poimijoiden mahdollistamia etuja tarkan prosessin seurannan ja hallinnan – digitaalisen kosketusnäytön ja selaimen kaukosäätimen kautta. Kaikki tärkeät sonikaatiotiedot (esim. nettoenergia, kokonaisenergia, amplitudi, kesto, lämpötila, paine) tallennetaan automaattisesti CSV-tiedostona integroidulle SD-kortille. Tämä auttaa saamaan toistettavia ja toistettavia tuloksia ja helpottaa prosessien standardointia sekä hyvien tuotantotapojen (cGMP) täyttämistä.
Tietenkin Hielscherin ultraääniprosessorit on rakennettu 24/7-toimintaan täydellä kuormituksella, ja siksi niitä voidaan käyttää luotettavasti teollisessa tuotantoympäristössä. Korkean kestävyyden ja alhaisen huollon vuoksi ultraäänilaitteiden seisokit ovat todella alhaiset. CIP (clean-in-place) ja SIP (sterilize-in-place) minimoivat työlään puhdistuksen, varsinkin kun kaikki märkäosat ovat sileitä metallipintoja (ei piilotettuja aukkoja tai suuttimia).

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: