Production biosynthétique d'oligosaccharides du lait humain

La biosynthèse des oligosaccharides du lait humain (HMO) par fermentation ou réactions enzymatiques est un processus complexe, coûteux et souvent peu productif. Les ultrasons augmentent le transfert de masse entre le substrat et les usines cellulaires et stimulent la croissance et le métabolisme des cellules. Ainsi, la sonication intensifie la fermentation et les processus biochimiques, ce qui permet une production accélérée et plus efficace d'HMO.

oligosaccharides du lait humain

Les oligosaccharides du lait humain (HMO), également connus sous le nom de glycanes du lait humain, sont des molécules de sucre qui font partie du groupe des oligosaccharides. Parmi les principaux exemples d'HMO, on peut citer le 2'-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-néotétraose (LNnT), 3'-galactosyllactose (3′-GL) et le difucosyllactose (DFL).
Alors que le lait maternel est composé de plus de 150 structures HMO différentes, seuls le 2′-fucosyllactose (2′-FL) et le lacto-N-néotétraose (LNnT) sont actuellement produits au niveau commercial et utilisés comme additifs nutritionnels dans les préparations pour nourrissons.
Les oligosaccharides du lait humain (HMO) sont connus pour leur importance dans l'alimentation des bébés. Les oligosaccharides du lait maternel sont un type unique de nutriments qui agissent comme des prébiotiques, des antimicrobiens antiadhésifs et des immunomodulateurs dans l'intestin du nourrisson et contribuent de manière substantielle au développement du cerveau. Les HMO se trouvent exclusivement dans le lait maternel humain ; les autres laits de mammifères (vache, chèvre, brebis, chamelle, etc.) ne contiennent pas cette forme spécifique d'oligosaccharides.
Les oligosaccharides du lait humain sont le troisième composant solide le plus abondant dans le lait humain, qui peut être présent sous forme dissoute, émulsifiée ou en suspension dans l'eau. Le lactose et les acides gras sont les composants solides les plus abondants du lait humain. Les HMO sont présents à une concentration de 9,9 à 24,9 g/l. On connaît environ 200 oligosaccharides de structure différente dans le lait humain. L'oligosaccharide dominant chez 80 % des femmes est le 2′-fucosyllactose, qui est présent dans le lait maternel humain à une concentration d'environ 2,5 g/l.
Comme les HMO ne sont pas digérés, ils ne contribuent pas à la nutrition sur le plan calorique. En tant qu'hydrates de carbone indigestes, ils fonctionnent comme des prébiotiques et sont sélectivement fermentés par la microflore intestinale souhaitable, en particulier les bifidobactéries.

Biosynthèse des oligosaccharides du lait humain

Les usines cellulaires et les systèmes enzymatiques/chimio-enzymatiques sont les technologies actuellement utilisées pour la synthèse des HMO. Pour la production de HMO à l'échelle industrielle, la fermentation des usines cellulaires microbiennes, la synthèse biochimique et différentes réactions enzymatiques sont des moyens réalisables de bioproduction de HMO. Pour des raisons économiques, la biosynthèse via des usines de cellules microbiennes est actuellement la seule technique utilisée pour la production industrielle de HMO.

Fermentation des HMO à l'aide d'usines cellulaires microbiennes

E.coli, Saccharomyces cerevisiae et Lactococcus lactis sont des usines cellulaires couramment utilisées pour la bioproduction de molécules biologiques telles que les HMO. La fermentation est un processus biochimique utilisant des micro-organismes pour convertir un substrat en molécules biologiques ciblées. Les usines cellulaires microbiennes utilisent des sucres simples comme substrat, qu'elles transforment en HMO. Les sucres simples (par exemple le lactose) étant un substrat abondant et bon marché, le processus de biosynthèse reste rentable.
La croissance et le taux de bioconversion sont principalement influencés par le transfert de masse des nutriments (substrat) vers les micro-organismes. Le taux de transfert de masse est un facteur important qui affecte la synthèse des produits pendant la fermentation. Il est bien connu que les ultrasons favorisent le transfert de masse.
Pendant la fermentation, les conditions dans le bioréacteur doivent être constamment contrôlées et régulées afin que les cellules puissent se développer aussi rapidement que possible pour produire les biomolécules ciblées (par exemple, des oligosaccharides tels que les HMO, de l'insuline ou des protéines recombinantes). En théorie, la formation du produit commence dès que la culture cellulaire commence à se développer. Cependant, en particulier dans les cellules génétiquement modifiées telles que les micro-organismes modifiés, elle est généralement induite ultérieurement par l'ajout d'une substance chimique au substrat, qui augmente l'expression de la biomolécule ciblée. Les bioréacteurs à ultrasons (sono-bioréacteurs) peuvent être contrôlés avec précision et permettent une stimulation spécifique des microbes. Il en résulte une biosynthèse accélérée et des rendements plus élevés.
Lyse et extraction par ultrasons : La fermentation des HMO complexes peut être limitée par de faibles titres de fermentation et des produits restant intracellulaires. La lyse et l'extraction ultrasoniques sont utilisées pour libérer le matériel intracellulaire avant la purification et les processus en aval.

Fermentation favorisée par ultrasons

Le taux de croissance de microbes tels que Escherichia coli, E.coli modifié, Saccharomyces cerevisiae et Lactococcus lactis peut être accéléré en augmentant le taux de transfert de masse et la perméabilité de la paroi cellulaire par l'application d'ultrasons contrôlés à basse fréquence. En tant que technique de traitement doux et non thermique, l'ultrasonication applique des forces purement mécaniques au bouillon de fermentation.
Cavitation acoustique : Le principe de fonctionnement de la sonication est basé sur la cavitation acoustique. La sonde ultrasonique (sonotrode) couple des ondes ultrasoniques à basse fréquence dans le milieu. Les ondes ultrasonores traversent le liquide en créant des cycles alternatifs de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction). En comprimant et en étirant le liquide par cycles alternés, de minuscules bulles de vide apparaissent. Ces petites bulles de vide grossissent sur plusieurs cycles jusqu'à ce qu'elles atteignent une taille telle qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce point de croissance maximale, la bulle de vide implose violemment et génère localement des conditions extrêmes, connues sous le nom de phénomène de cavitation. Dans le "point chaud" de la cavitation, on peut observer des différentiels de pression et de température élevés et des forces de cisaillement intenses avec des jets de liquide pouvant atteindre 280 m/sec. Ces effets de cavitation permettent un transfert de masse important et une sonoporation (perforation des parois et des membranes cellulaires). Les nutriments du substrat sont transportés vers et dans les cellules entières vivantes, de sorte que les usines cellulaires sont nourries de manière optimale et que les taux de croissance et de conversion sont accélérés. Les bioréacteurs à ultrasons constituent une stratégie simple mais très efficace pour traiter la biomasse dans le cadre d'un processus de biosynthèse en une seule étape.
Une sonication douce, contrôlée avec précision, est bien connue pour intensifier les processus de fermentation.
La sonication améliore "la productivité de nombreux bioprocédés impliquant des cellules vivantes via l'amélioration de l'absorption du substrat, l'amélioration de la production ou de la croissance par l'augmentation de la porosité cellulaire, et potentiellement l'amélioration de la libération des composants cellulaires". (Naveena et al. 2015)
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Naveena et al. (2015) ont constaté que l'intensification ultrasonique offre plusieurs avantages au cours du biotraitement, notamment de faibles coûts d'exploitation par rapport à d'autres options de traitement d'amélioration, la simplicité de fonctionnement et des exigences modestes en matière d'énergie.

Réacteurs de fermentation à ultrasons haute performance

Les processus de fermentation impliquent des micro-organismes vivants tels que les bactéries ou les levures, qui fonctionnent comme des usines cellulaires. Alors que la sonication est utilisée pour favoriser le transfert de masse et augmenter le taux de croissance et de conversion des micro-organismes, il est crucial de contrôler précisément l'intensité des ultrasons afin d'éviter la destruction des usines cellulaires.
Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la conception, la fabrication et la distribution d'ultrasons de haute performance, qui peuvent être contrôlés et surveillés avec précision pour garantir des rendements de fermentation supérieurs.

Le contrôle des processus est non seulement essentiel pour obtenir des rendements élevés et une qualité supérieure, mais il permet également de répéter et de reproduire les résultats. En particulier lorsqu'il s'agit de stimuler des usines cellulaires, l'adaptation des paramètres de sonication en fonction des cellules est essentielle pour obtenir des rendements élevés et éviter la dégradation des cellules. C'est pourquoi tous les modèles numériques d'appareils à ultrasons Hielscher sont équipés d'un logiciel intelligent qui permet d'ajuster, de surveiller et de réviser les paramètres de sonication. Les paramètres de traitement par ultrasons tels que l'amplitude, la température, la pression, la durée de la sonication, les cycles de travail et l'apport d'énergie sont essentiels pour promouvoir la production d'HMO par fermentation.
Le logiciel intelligent des appareils à ultrasons Hielscher enregistre automatiquement tous les paramètres importants du processus sur la carte SD intégrée. L'enregistrement automatique des données du processus de sonification est la base de la standardisation du processus et de la reproductibilité / répétabilité, qui sont requises pour les bonnes pratiques de fabrication (GMP).

Réacteurs à ultrasons pour la fermentation

Hielscher propose des sondes ultrasoniques de différentes tailles, longueurs et géométries, qui peuvent être utilisées pour des traitements par lots ou en flux continu. Les réacteurs à ultrasons, également connus sous le nom de bioréacteurs soniques, sont disponibles pour tout volume couvrant le biotraitement par ultrasons depuis les petits échantillons de laboratoire jusqu'au niveau de production pilote et entièrement commercial.
Il est bien connu que l'emplacement de la sonotrode ultrasonique dans la cuve de réaction influence la distribution de la cavitation et du micro-écoulement dans le milieu. La sonotrode et le réacteur à ultrasons doivent être choisis en fonction du volume de traitement du bouillon de cellules. Bien que la sonication puisse être effectuée en mode discontinu ou continu, l'utilisation d'une installation à flux continu est recommandée pour les volumes de production élevés. En passant par une cellule à ultrasons, tous les milieux cellulaires sont exposés de la même manière à la sonication, ce qui garantit le traitement le plus efficace. La large gamme de sondes ultrasoniques et de réacteurs à flux continu de Hielscher Ultrasonics permet d'assembler la configuration idéale de bioprocédés ultrasoniques.

Hielscher Ultrasonics – Du laboratoire au pilote et à la production

Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme des équipements à ultrasons, des homogénéisateurs à ultrasons compacts et portatifs pour la préparation d'échantillons aux systèmes pilotes et de paillasse, en passant par les unités ultrasoniques industrielles puissantes qui traitent facilement des charges de camion à l'heure. Polyvalents et flexibles en termes d'installation et d'options de montage, les ultrasons Hielscher peuvent être facilement intégrés dans tous les types de réacteurs discontinus, de lots alimentés ou d'installations à flux continu.
Divers accessoires ainsi que des pièces personnalisées permettent d'adapter idéalement votre installation ultrasonique aux exigences de votre processus.
Conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge et dans des conditions difficiles, les processeurs à ultrasons Hielscher sont fiables et ne nécessitent que peu d'entretien.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :