Production biosynthétique d'oligosaccharides du lait humain

La biosynthèse des oligosaccharides du lait humain (HMO) par fermentation ou réactions enzymatiques est un processus complexe, consommateur 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 des 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), le lacto-N-néotétraose (LNnT), le 3'-galactosyllactose (3′-GL), et le difucosyllactose (DFL).
Alors que le lait maternel humain est composé de plus de 150 structures HMO différentes, seuls le 2′-fucosyllactose (2′-FL) et le lacto-N-neotetraose (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 humain sont un type unique de nutriments, qui agissent comme prébiotiques, antimicrobiens anti-adhésifs et immunomodulateurs dans l'intestin du nourrisson et contribuent de manière substantielle au développement du cerveau. Les HMO sont exclusivement présents dans le lait maternel humain ; les autres laits de mammifères (par exemple, de vache, de chèvre, de brebis, de chameau, 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 soit sous forme dissoute ou émulsifiée, soit en suspension dans l'eau. Le lactose et les acides gras sont les solides les plus abondants dans le lait humain. Les HMO sont présents en une concentration de 0,35-0,88 onces (9,9-24,9 g)/L. On connaît environ 200 oligosaccharides du lait humain de structure différente. 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. Étant des hydrates de carbone indigestes, ils fonctionnent comme des prébiotiques et sont fermentés sélectivement 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 actuelles utilisées pour la synthèse des HMO. Pour la production d'HMO à l'échelle industrielle, la fermentation des usines de cellules microbiennes, la synthèse biochimique et différentes réactions enzymatiques sont des moyens possibles de bioproduction d'HMO. Pour des raisons économiques, la biosynthèse via des usines de cellules microbiennes est actuellement la seule technique utilisée au niveau de la production industrielle d'HMO.

Fermentation d'OGM à l'aide d'usines de cellules 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 qui utilise des micro-organismes pour convertir un substrat en molécules biologiques ciblées. Les usines de cellules microbiennes utilisent des sucres simples comme substrat, qu'elles convertissent en HMO. Comme les sucres simples (par exemple le lactose) sont 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 microorganismes. Le taux de transfert de masse est un facteur principal qui affecte la synthèse du produit pendant la fermentation. Les ultrasons sont bien connus pour favoriser le transfert de masse.
Pendant la fermentation, les conditions dans le bioréacteur doivent être constamment surveillées et régulées afin que les cellules puissent se développer le plus rapidement possible pour ensuite produire les biomolécules ciblées (par exemple les oligosaccharides tels que les HMO, l'insuline, les protéines recombinantes). Théoriquement, 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 plus tard par l'ajout d'une substance chimique au substrat, qui régule à la hausse l'expression de la biomolécule ciblée. Les bioréacteurs à ultrasons (sono-bioréacteur) peuvent être contrôlés avec précision et permettent la 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 des titres de fermentation faibles et des produits restant intracellulaires. La lyse et l'extraction par ultrasons 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 artificielle, 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 douce et non thermique, l'échographie applique des forces purement mécaniques dans le bouillon de fermentation.
Cavitation acoustique : Le principe de fonctionnement de la sonication est basé sur la cavitation acoustique. La sonde à ultrasons (sonotrode) couple des ondes ultrasonores à basse fréquence dans le milieu. Les ondes ultrasonores traversent le liquide en créant des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction). En comprimant et en étirant le liquide en cycles alternés, de minuscules bulles de vide apparaissent. Ces petites bulles de vide grossissent sur plusieurs cycles jusqu'à atteindre une taille où elles ne peuvent plus absorber d'énergie. À ce point de croissance maximale, la bulle de vide implose violemment et génère des conditions locales 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 complet et une sonoporation (perforation des parois et des membranes cellulaires). Les nutriments du substrat flottent vers et dans les cellules entières vivantes, de sorte que les usines cellulaires sont alimentées de manière optimale et que la croissance ainsi que les taux 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 un seul point.
Une sonication douce, contrôlée avec précision, est bien connue pour intensifier les processus de fermentation.
La sonication améliore "la productivité de nombreux bioprocessus impliquant des cellules vivantes par l'amélioration de l'absorption du substrat, l'amélioration de la production ou de la croissance par l'augmentation de la porosité des cellules, et la libération potentiellement accrue des composants cellulaires". (Naveena et al. 2015)
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Naveena et al. (2015) ont constaté que l'intensification ultrasonique offre plusieurs avantages lors du biotraitement, notamment des coûts d'exploitation faibles par rapport à d'autres options de traitement d'amélioration, une simplicité de fonctionnement et des besoins énergétiques modestes.

Réacteurs de fermentation à ultrasons à haute performance

Les processus de fermentation impliquent des microorganismes vivants tels que des bactéries ou des levures, qui fonctionnent comme des usines à cellules. Alors que la sonication est appliquée pour favoriser le transfert de masse et augmenter la croissance et le taux de conversion des micro-organismes, il est crucial de contrôler l'intensité des ultrasons avec précision afin d'éviter la destruction des usines cellulaires.
Hielscher Ultrasonics est spécialisé dans la conception, la fabrication et la distribution d'ultrasonateurs à haute performance, qui peuvent être contrôlés et surveillés avec précision pour assurer 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 de répéter et de reproduire les résultats. En particulier lorsqu'il s'agit de stimuler les usines cellulaires, l'adaptation des paramètres de sonication aux cellules est essentielle pour obtenir des rendements élevés et prévenir la dégradation des cellules. C'est pourquoi tous les modèles numériques d'ultrasonateurs Hielscher sont équipés d'un logiciel intelligent qui permet d'ajuster, de contrôler et de réviser les paramètres de sonication. Les paramètres du processus ultrasonore tels que l'amplitude, la température, la pression, la durée de sonication, les cycles de fonctionnement et l'apport d'énergie sont essentiels pour favoriser la production d'HMO par fermentation.
Le logiciel intelligent des ultrasonateurs Hielscher enregistre automatiquement tous les paramètres importants du processus sur la carte SD intégrée. L'enregistrement automatique des données du processus de sonication est la base de la normalisation du processus et de la reproductibilité/répétabilité, qui sont nécessaires aux bonnes pratiques de fabrication (BPF).

Recteurs à ultrasons pour la fermentation

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

Hielscher Ultrasonics – Du laboratoire au pilote et à la production

Hielscher Ultrasons couvre toute la gamme des équipements à ultrasons en proposant des homogénéisateurs à ultrasons portables compacts pour la préparation des échantillons, des systèmes de table et des systèmes pilotes, ainsi que de puissants appareils à ultrasons industriels qui traitent facilement des chargements de camions par heure. Polyvalents et flexibles dans leurs options d'installation et de montage, les ultrasonateurs Hielscher peuvent être facilement intégrés dans toutes sortes 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 pour une utilisation intensive dans des conditions difficiles, les processeurs à ultrasons Hielscher sont fiables et ne nécessitent qu'une faible maintenance.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators: