Désintégration des cellules par ultrasons

La sonication est un moyen efficace de désintégrer les structures cellulaires. Les sonicateurs sont donc largement utilisés dans les laboratoires pour ouvrir les cellules et extraire les molécules intracellulaires, les protéines et les organites à des fins de recherche et d’analyse. À l’échelle industrielle, la désintégration et la lyse par ultrasons sont utilisées pour isoler des molécules produites par des cellules utilisées comme usines biologiques ou pour favoriser la digestion de la biomasse.

Qu’est-ce que la désintégration par ultrasons ?

La désintégration par ultrasons, également appelée homogénéisation par ultrasons, est un procédé qui utilise des ondes ultrasonores de forte intensité et de basse fréquence pour détruire les parois cellulaires et perturber les structures moléculaires dans un milieu liquide. Cette technique est couramment utilisée dans diverses applications scientifiques et industrielles à plusieurs fins :

Rupture cellulaire : La désintégration par ultrasons est largement utilisée en biologie cellulaire et en biologie moléculaire pour rompre les membranes cellulaires et libérer le contenu des cellules, notamment les protéines, les acides nucléiques et les organites. Elle permet d’extraire les composants intracellulaires pour les analyser ou de lyser les cellules dans les procédés de microbiologie et de biotechnologie.

• Homogénéisation : Elle facilite le mélange uniforme des composants d’un échantillon, en particulier lorsqu’il s’agit de liquides non miscibles ou lorsque l’on cherche à obtenir un mélange homogène de matériaux.
• Extraction des protéines : En biologie, en protéomique et dans les sciences de la vie, l’analyse des protéines est une tâche très courante. Avant de pouvoir être analysées dans le cadre d’essais, les protéines doivent être extraites de l’intérieur des cellules et isolées. L’utilisation de sonicateurs est la méthode la plus répandue pour l’extraction des protéines.
• Fragmentation de l’ADN : L’ADN et l’ARN sont deux types distincts d’acides nucléiques qui stockent et codent l’information génétique dans les cellules. Lors de l’analyse de l’ADN et de l’ARN, les longs brins doivent parfois être fragmentés, une opération que la sonication permet de réaliser de manière fiable et efficace.
• Préparation des échantillons : En recherche et en analyse, la préparation des échantillons est une étape courante qui précède diverses techniques analytiques. La désintégration par ultrasons peut aider à dissoudre ou à disperser les échantillons, ce qui peut améliorer l’exactitude et la reproductibilité des analyses.

Avantages de la désintégration par ultrasons

Pourquoi utiliser un sonicateur à sonde pour la désintégration, la rupture cellulaire et l’extraction des molécules intracellulaires et des protéines ? Un sonicateur ou désintégrateur à ultrasons offre de nombreux avantages qui font de la sonication une technologie supérieure aux autres méthodes de désintégration, telles que l’homogénéisation à haute pression, le broyage à boulets ou la microfluidisation.

• Non thermique : La désintégration par ultrasons est une méthode non thermique, ce qui signifie qu’elle ne repose pas sur la chaleur pour désintégrer les matériaux. C’est un avantage pour les applications dans lesquelles des températures élevées pourraient dégrader les échantillons thermosensibles.
• Précise et contrôlée : Le procédé peut être contrôlé avec une grande précision, ce qui permet de cibler la rupture, le mélange ou la réduction de la taille des particules.
• Rapide et efficace : La sonication est généralement une méthode rapide et efficace, adaptée aux applications nécessitant une cadence élevée de traitement des échantillons.
• Utilisation réduite de produits chimiques : Dans de nombreux cas, la désintégration par ultrasons peut réduire le recours à des produits chimiques agressifs ou à des solvants organiques, ce qui peut être bénéfique pour l’environnement et réduire le risque de contamination chimique.
• Sans corps broyants ni buses : Les autres techniques de désintégration, telles que le broyage à boulets ou à billes et les homogénéisateurs à haute pression, présentent des inconvénients. Le broyage à boulets ou à billes nécessite l’utilisation de corps broyants (billes ou perles), dont la séparation et le nettoyage sont laborieux. Les homogénéisateurs à haute pression comportent des buses susceptibles de se boucher. En revanche, les homogénéisateurs à ultrasons sont faciles à utiliser, très fiables et robustes, et nécessitent très peu d’entretien.
• Polyvalence : Elle peut être appliquée à un large éventail de matériaux, notamment les bactéries, les cellules végétales, les tissus de mammifères, les algues, les champignons, etc., ce qui en fait une technique polyvalente dans divers domaines.
  Passage à l’échelle industrielle : La technique ultrasonore peut être transposée à l’échelle industrielle, ce qui la rend adaptée aussi bien aux applications de laboratoire qu’à la production à grande échelle.

Principe de fonctionnement de la désintégration et de la rupture cellulaires par ultrasons

La sonication génère une alternance d’ondes de haute et de basse pression dans le liquide exposé. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores créent de petites bulles de vide dans le liquide, qui s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. L’implosion de la bulle de cavitation provoque de fortes forces de cisaillement hydrodynamiques, qui entraînent d’abord une sonoporation, puis une rupture efficace des structures cellulaires. Les molécules intracellulaires et les organites sont entièrement libérés dans le solvant.

Désintégration des structures cellulaires par ultrasons

Les forces de cisaillement peuvent désintégrer les matières fibreuses et cellulosiques en fines particules et rompre les parois des structures cellulaires. Cela libère davantage de matière intracellulaire, comme l’amidon ou le sucre, dans le liquide. De plus, les matériaux constituant les parois cellulaires sont fragmentés en petits débris.

Cet effet peut être utilisé pour la fermentation, la digestion et d’autres procédés de conversion de la matière organique. Après le broyage et la mouture, la sonication rend davantage de matière intracellulaire, par exemple l’amidon, ainsi que de débris de parois cellulaires accessibles aux enzymes qui convertissent l’amidon en sucres. Elle augmente également la surface exposée aux enzymes pendant la liquéfaction ou la saccharification. Cela augmente généralement la vitesse et le rendement de la fermentation par les levures et d’autres procédés de conversion, par exemple pour accroître la production d’éthanol à partir de biomasse.

Utilisez la désintégration par ultrasons – avec fiabilité et efficacité à toutes les échelles

Les sonicateurs Hielscher sont disponibles avec différentes puissances nominales et capacités de traitement. Que vous souhaitiez effectuer la sonication de petits échantillons biologiques de quelques microlitres à quelques litres ou traiter d’importants flux de cellules ou de biomasse pour la production, Hielscher Ultrasonics vous proposera le désintégrateur à ultrasons le mieux adapté à votre application biologique.

• à l’échelle du laboratoire, de 1mL à environ 5L, par exemple UP400St avec sonotrode de 22mm
• à l’échelle d’un appareil de paillasse, à un débit d’environ 0,1 à 20L/min, par exemple UIP1000hdT avec sonotrode de 34mm et cellule à circulation
• à l’échelle de la production, à partir de 20L/min, par exemple UIP4000hdT ou UIP16000hdT

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs de laboratoire :

Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous si vous souhaitez recevoir davantage d’informations sur l’utilisation d’appareils à ultrasons pour la désintégration des cellules. Nous serons heureux de vous aider.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos sonicateurs industriels :

Bibliographie / Références

• 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.