માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સનું જૈવસંશ્લેષણ દ્વારા ઉત્પાદન

આથવણ અથવા ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ દ્વારા માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ (HMOs)નું જૈવસંશ્લેષણ એક જટિલ, સંસાધનો વાપરતી અને ઘણી વાર ઓછી ઉપજ આપતી પ્રક્રિયા છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન સબસ્ટ્રેટ અને કોષીય કારખાનાં વચ્ચે દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ વધારે છે અને કોષવૃદ્ધિ તથા ચયાપચયને ઉત્તેજિત કરે છે. આ રીતે, સોનિકેશન આથવણ અને જૈવરાસાયણિક પ્રક્રિયાઓને તીવ્ર બનાવે છે, જેના પરિણામે HMOsનું ઉત્પાદન વધુ ઝડપી અને વધુ કાર્યક્ષમ બને છે.

માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ

માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ (HMOs), જે માનવ દૂધના ગ્લાયકાન્સ તરીકે પણ ઓળખાય છે, શર્કરાના અણુઓ છે, જે ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ જૂથનો ભાગ છે. HMOsનાં અગ્રણી ઉદાહરણોમાં 2’-ફ્યુકોસિલલેક્ટોઝ (2′-FL), લેક્ટો-N-નિયોટેટ્રાઓઝ (LNnT), 3’-ગેલેક્ટોસિલલેક્ટોઝ (3′-GL) અને ડાઇફ્યુકોસિલલેક્ટોઝ (DFL)નો સમાવેશ થાય છે.
માનવ સ્તનદૂધમાં 150 કરતાં વધુ જુદી જુદી HMO સંરચનાઓ હોવા છતાં, હાલમાં માત્ર 2′-ફ્યુકોસિલલેક્ટોઝ (2′-FL) અને લેક્ટો-N-નિયોટેટ્રાઓઝ (LNnT)નું જ વ્યાવસાયિક સ્તરે ઉત્પાદન થાય છે અને શિશુ ફોર્મ્યુલામાં પોષક ઉમેરણો તરીકે તેમનો ઉપયોગ થાય છે.
માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ (HMOs) શિશુ પોષણમાં તેમના મહત્ત્વ માટે જાણીતા છે. માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ એક અનન્ય પ્રકારનાં પોષક તત્ત્વો છે, જે શિશુનાં આંતરડાંમાં પ્રિબાયોટિક્સ, આસંજન-વિરોધી સૂક્ષ્મજીવપ્રતિરોધી પદાર્થો અને રોગપ્રતિકારક પ્રતિભાવના નિયામકો તરીકે કાર્ય કરે છે અને મગજના વિકાસમાં નોંધપાત્ર યોગદાન આપે છે. HMOs માત્ર માનવ સ્તનદૂધમાં જ જોવા મળે છે; અન્ય સસ્તન પ્રાણીઓના દૂધમાં (દા.ત. ગાય, બકરી, ઘેટું, ઊંટ વગેરે) ઓલિગોસેકેરાઇડ્સનાં આ વિશિષ્ટ સ્વરૂપો હોતાં નથી.
માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ માનવ દૂધમાં ત્રીજા ક્રમે સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળતો ઘન ઘટક છે, જે પાણીમાં ઓગળેલા, ઇમલ્સિફાઇડ અથવા નિલંબિત સ્વરૂપે હાજર હોઈ શકે છે. લેક્ટોઝ અને ફેટી એસિડ્સ માનવ દૂધમાં સૌથી વિપુલ પ્રમાણમાં જોવા મળતા ઘન પદાર્થો છે. HMOs 0.35–0.88 ounces (9.9–24.9 g)/ Lની સાંદ્રતામાં હાજર હોય છે. સંરચનાની દૃષ્ટિએ જુદા એવા આશરે 200 માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ જાણીતા છે. તમામ મહિલાઓમાંથી 80%માં મુખ્ય ઓલિગોસેકેરાઇડ 2′-ફ્યુકોસિલલેક્ટોઝ છે, જે માનવ સ્તનદૂધમાં આશરે 2.5 g/ Lની સાંદ્રતામાં હાજર હોય છે.
HMOsનું પાચન થતું ન હોવાથી, તેઓ પોષણમાં કેલરીનું યોગદાન આપતા નથી. અપાચ્ય કાર્બોહાઇડ્રેટ્સ હોવાથી, તેઓ પ્રિબાયોટિક્સ તરીકે કાર્ય કરે છે અને આંતરડાંના ઇચ્છનીય સૂક્ષ્મજીવસમુદાય, ખાસ કરીને બિફિડોબેક્ટેરિયા દ્વારા પસંદગીપૂર્વક તેમનું આથવણ થાય છે.

માનવ દૂધના ઓલિગોસેકેરાઇડ્સનું જૈવસંશ્લેષણ

કોષીય કારખાનાં અને ઉત્સેચકીય / રાસાયણિક-ઉત્સેચકીય પ્રણાલીઓ HMOsના સંશ્લેષણ માટે વપરાતી વર્તમાન તકનીકો છે. ઔદ્યોગિક સ્તરે HMOના ઉત્પાદન માટે, સૂક્ષ્મજીવી કોષીય કારખાનાં દ્વારા આથવણ, જૈવરાસાયણિક સંશ્લેષણ અને વિવિધ ઉત્સેચકીય પ્રતિક્રિયાઓ HMOના જૈવઉત્પાદનના વ્યવહારુ માર્ગો છે. આર્થિક કારણોસર, હાલમાં HMOsના ઔદ્યોગિક ઉત્પાદનના સ્તરે વપરાતી એકમાત્ર તકનીક સૂક્ષ્મજીવી કોષીય કારખાનાં દ્વારા જૈવસંશ્લેષણ છે.

સૂક્ષ્મજીવી કોષીય કારખાનાંનો ઉપયોગ કરીને HMOsનું આથવણ

E.coli, Saccharomyces cerevisiae અને Lactococcus lactis એ HMOs જેવા જૈવિક અણુઓના જૈવઉત્પાદન માટે સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતાં કોષીય કારખાનાં છે. આથવણ એ એક જૈવરાસાયણિક પ્રક્રિયા છે, જેમાં સૂક્ષ્મજીવોનો ઉપયોગ કરીને સબસ્ટ્રેટને લક્ષિત જૈવિક અણુઓમાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે. સૂક્ષ્મજીવી કોષીય કારખાનાં સરળ શર્કરાઓનો સબસ્ટ્રેટ તરીકે ઉપયોગ કરે છે અને તેમને HMOsમાં રૂપાંતરિત કરે છે. સરળ શર્કરાઓ (દા.ત. લેક્ટોઝ) વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ અને સસ્તા સબસ્ટ્રેટ હોવાથી, જૈવસંશ્લેષણની પ્રક્રિયા ખર્ચની દૃષ્ટિએ કાર્યક્ષમ રહે છે.
વૃદ્ધિ અને જૈવરૂપાંતરણના દર પર મુખ્યત્વે સૂક્ષ્મજીવો સુધી પોષક તત્ત્વોના (સબસ્ટ્રેટના) દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણની અસર પડે છે. દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણનો દર એ આથવણ દરમિયાન ઉત્પાદનના સંશ્લેષણને અસર કરતું એક મુખ્ય પરિબળ છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશન દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણને પ્રોત્સાહન આપવા માટે જાણીતું છે.
આથવણ દરમિયાન, બાયોરિએક્ટરની પરિસ્થિતિઓનું સતત નિરીક્ષણ અને નિયમન કરવું આવશ્યક છે, જેથી કોષો શક્ય તેટલી ઝડપથી વૃદ્ધિ પામી શકે અને ત્યારબાદ લક્ષિત જૈવઅણુઓનું (દા.ત. HMOs જેવા ઓલિગોસેકેરાઇડ્સ; ઇન્સ્યુલિન; રિકોમ્બિનન્ટ પ્રોટીનો) ઉત્પાદન કરી શકે. સૈદ્ધાંતિક રીતે, કોષ સંવર્ધનની વૃદ્ધિ શરૂ થતાં જ ઉત્પાદનનું નિર્માણ શરૂ થાય છે. જોકે, ખાસ કરીને જનીનપરિવર્તિત કોષોમાં, જેમ કે અભિયાંત્રિક રીતે સંશોધિત સૂક્ષ્મજીવોમાં, સામાન્ય રીતે સબસ્ટ્રેટમાં એક રાસાયણિક પદાર્થ ઉમેરીને તેને પછીથી પ્રેરિત કરવામાં આવે છે; આ પદાર્થ લક્ષિત જૈવઅણુની અભિવ્યક્તિમાં વધારો કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક બાયોરિએક્ટરો (સોનો-બાયોરિએક્ટર)ને ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરી શકાય છે અને તેઓ સૂક્ષ્મજીવોનું વિશિષ્ટ ઉત્તેજન શક્ય બનાવે છે. આના પરિણામે જૈવસંશ્લેષણ ઝડપી બને છે અને વધુ ઉપજ મળે છે.
અલ્ટ્રાસોનિક કોષલયન અને નિષ્કર્ષણ: જટિલ HMOsની આથવણ ઓછી આથવણ ઉત્પાદન સાંદ્રતા અને ઉત્પાદનો કોષોની અંદર જ રહી જવાને કારણે મર્યાદિત થઈ શકે છે. શુદ્ધીકરણ અને અનુવર્તી પ્રક્રિયાઓ પહેલાં કોષાંતર્ગત સામગ્રીને મુક્ત કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક કોષલયન અને નિષ્કર્ષણનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે પ્રોત્સાહિત આથવણ

નિયંત્રિત ઓછી આવૃત્તિવાળું અલ્ટ્રાસોનિકેશન લાગુ કરીને દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણનો દર અને કોષદીવાલની પારગમ્યતા વધારવાથી Escherichia coli, અભિયાંત્રિક રીતે સંશોધિત E.coli, Saccharomyces cerevisiae અને Lactococcus lactis જેવા સૂક્ષ્મજીવોનો વૃદ્ધિદર વધારી શકાય છે. સૌમ્ય, બિનતાપીય પ્રક્રિયા તકનીક તરીકે, અલ્ટ્રાસોનિકેશન આથવણના પ્રવાહીમાં સંપૂર્ણપણે યાંત્રિક બળો લાગુ કરે છે.
ધ્વનિક કેવિટેશન: સોનિકેશનનો કાર્યસિદ્ધાંત ધ્વનિક કેવિટેશન પર આધારિત છે. અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ (સોનોટ્રોડ) ઓછી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગોને માધ્યમમાં સંચારિત કરે છે. અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રવાહીમાંથી પસાર થતાં વારાફરતી ઉચ્ચ દબાણના (સંકોચન) / નીચા દબાણના (વિરલન) ચક્રો સર્જે છે. વારાફરતી ચક્રોમાં પ્રવાહીના સંકોચન અને ખેંચાણથી અતિસૂક્ષ્મ શૂન્યાવકાશી પરપોટા ઉદ્ભવે છે. આ નાના શૂન્યાવકાશી પરપોટા અનેક ચક્રો દરમિયાન વધતા રહે છે, જ્યાં સુધી તેઓ એવા કદ સુધી ન પહોંચે કે વધુ ઊર્જા શોષી ન શકે. વૃદ્ધિના આ મહત્તમ બિંદુએ, શૂન્યાવકાશી પરપોટો પ્રચંડ રીતે અંદરની તરફ તૂટી પડે છે અને સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ સર્જે છે; આ ઘટના કેવિટેશન તરીકે ઓળખાય છે. કેવિટેશનના “હોટ-સ્પોટ”માં, દબાણ અને તાપમાનના ઊંચા તફાવતો તથા 280m/sec સુધીની ગતિ ધરાવતી પ્રવાહી ધારાઓ સાથે તીવ્ર કતરણ બળો જોવા મળી શકે છે. કેવિટેશનની આ અસરો દ્વારા વ્યાપક દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ અને સોનોપોરેશન (કોષદીવાલો અને કોષપટલોમાં છિદ્રોનું નિર્માણ) પ્રાપ્ત થાય છે. સબસ્ટ્રેટનાં પોષક તત્ત્વો જીવંત અખંડ કોષો તરફ અને તેમની અંદર વહન થાય છે, જેથી કોષીય કારખાનાંને શ્રેષ્ઠ રીતે પોષણ મળે છે અને વૃદ્ધિ તેમજ રૂપાંતરણના દર વધે છે. એક જ પાત્રમાં થતી જૈવસંશ્લેષણ પ્રક્રિયામાં જૈવભાર પર પ્રક્રિયા કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક બાયોરિએક્ટરો એક સરળ, છતાં અત્યંત અસરકારક વ્યૂહરચના છે.
ચોકસાઈથી નિયંત્રિત, સૌમ્ય સોનિકેશન આથવણ પ્રક્રિયાઓને તીવ્ર બનાવવા માટે જાણીતું છે.
સોનિકેશન “સબસ્ટ્રેટના ગ્રહણમાં વધારો કરીને, કોષોની છિદ્રાળુતા વધારવાથી ઉત્પાદન અથવા વૃદ્ધિમાં વધારો કરીને અને સંભવિત રીતે કોષીય ઘટકોના મુક્ત થવામાં વધારો કરીને જીવંત કોષોનો સમાવેશ કરતી ઘણી જૈવપ્રક્રિયાઓની ઉત્પાદકતા” સુધારે છે. (Naveena et al. 2015)
અલ્ટ્રાસોનિક સહાયથી થતી આથવણ વિશે વધુ વાંચો!

Naveena અને સહલેખકો (2015)એ શોધ્યું કે જૈવપ્રક્રિયા દરમિયાન અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રીકરણ અનેક લાભો આપે છે, જેમાં પ્રક્રિયાને વધુ અસરકારક બનાવતા અન્ય ઉપચાર વિકલ્પોની સરખામણીમાં ઓછો સંચાલન ખર્ચ, સંચાલનની સરળતા અને ઓછી વિદ્યુત શક્તિની જરૂરિયાતનો સમાવેશ થાય છે.

ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક આથવણ રિએક્ટરો

આથવણ પ્રક્રિયાઓમાં બેક્ટેરિયા અથવા યીસ્ટ જેવા જીવંત સૂક્ષ્મજીવો સામેલ હોય છે, જે કોષ કારખાનાં તરીકે કાર્ય કરે છે. દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણને પ્રોત્સાહન આપવા અને સૂક્ષ્મજીવોની વૃદ્ધિ તથા રૂપાંતરણનો દર વધારવા માટે સોનિકેશન લાગુ કરવામાં આવે છે ત્યારે કોષ કારખાનાંનો નાશ ટાળવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતાને ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરવી અત્યંત જરૂરી છે.
Hielscher Ultrasonics ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળાં અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની રચના, ઉત્પાદન અને વિતરણમાં નિષ્ણાત છે. આ ઉપકરણોને ચોકસાઈથી નિયંત્રિત કરી શકાય છે અને તેમનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે, જેથી આથવણમાં ઉત્કૃષ્ટ ઉપજ સુનિશ્ચિત થાય છે.

પ્રક્રિયા નિયંત્રણ માત્ર ઊંચી ઉપજ અને ઉત્કૃષ્ટ ગુણવત્તા માટે જ આવશ્યક નથી, પરંતુ તે પરિણામોને ફરીથી મેળવવાનું અને પુનઃઉત્પાદિત કરવાનું પણ શક્ય બનાવે છે. ખાસ કરીને કોષ કારખાનાંને ઉત્તેજિત કરવાની વાત આવે ત્યારે, ઊંચી ઉપજ મેળવવા અને કોષોનું વિઘટન અટકાવવા માટે સોનિકેશન પરિમાણોને ચોક્કસ કોષોને અનુરૂપ ગોઠવવાં આવશ્યક છે. તેથી, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરોના તમામ ડિજિટલ મોડેલો બુદ્ધિશાળી સોફ્ટવેરથી સજ્જ છે, જે તમને સોનિકેશન પરિમાણોને ગોઠવવા, તેમનું નિરીક્ષણ કરવા અને તેમાં સુધારો કરવાની સુવિધા આપે છે. આથવણ દ્વારા HMOના ઉત્પાદનને પ્રોત્સાહન આપવા માટે કંપનવિસ્તાર, તાપમાન, દબાણ, સોનિકેશનનો સમયગાળો, કાર્યચક્રો અને ઊર્જા નિવેશ જેવા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા પરિમાણો આવશ્યક છે.
Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનું સ્માર્ટ સોફ્ટવેર તમામ મહત્વપૂર્ણ પ્રક્રિયા પરિમાણોને સંકલિત SD-કાર્ડ પર આપમેળે નોંધે છે. સોનિકેશન પ્રક્રિયાના ડેટાનું આપમેળે થતું રેકોર્ડિંગ પ્રક્રિયાના માનકીકરણ અને પુનઃઉત્પાદકતા / પુનરાવર્તનીયતાનો પાયો છે, જે સારી ઉત્પાદન પદ્ધતિઓ (GMP) માટે જરૂરી છે.

આથવણ માટે અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરો

Hielscher વિવિધ કદ, લંબાઈ અને ભૌમિતિક આકારોવાળા અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ પ્રદાન કરે છે, જેનો ઉપયોગ બેચ તેમજ સતત પ્રવાહવાળી પ્રક્રિયાઓ માટે થઈ શકે છે. અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરો, જે સોનો-બાયોરિએક્ટરો તરીકે પણ ઓળખાય છે, કોઈપણ આયતન માટે ઉપલબ્ધ છે અને નાના પ્રયોગશાળાના નમૂનાઓથી લઈને પાઇલટ તથા સંપૂર્ણ વ્યાવસાયિક ઉત્પાદન સ્તર સુધીની અલ્ટ્રાસોનિક જૈવપ્રક્રિયાને આવરી લે છે.
તે સુવિદિત છે કે પ્રતિક્રિયા પાત્રમાં અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડનું સ્થાન માધ્યમની અંદર કેવિટેશન અને સૂક્ષ્મપ્રવાહોના વિતરણને પ્રભાવિત કરે છે. સોનોટ્રોડ અને અલ્ટ્રાસોનિક રિએક્ટરની પસંદગી કોષીય સંવર્ધન દ્રવના પ્રક્રિયા કરવાના આયતન અનુસાર કરવી જોઈએ. સોનિકેશન બેચ તેમજ સતત એમ બંને રીતે કરી શકાય છે, પરંતુ મોટા ઉત્પાદન આયતન માટે સતત પ્રવાહવાળી વ્યવસ્થાનો ઉપયોગ કરવાની ભલામણ કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક ફ્લો સેલમાંથી પસાર થતું સમગ્ર કોષીય માધ્યમ સોનિકેશનના બરાબર સમાન સંપર્કમાં આવે છે, જેનાથી સૌથી અસરકારક પ્રક્રિયા સુનિશ્ચિત થાય છે. Hielscher Ultrasonicsના અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ અને ફ્લો સેલ રિએક્ટરોની વિશાળ શ્રેણી આદર્શ અલ્ટ્રાસોનિક જૈવપ્રક્રિયા વ્યવસ્થા તૈયાર કરવાનું શક્ય બનાવે છે.

Hielscher Ultrasonics – પ્રયોગશાળાથી પાઇલટ સ્તર અને ઉત્પાદન સુધી

Hielscher Ultrasonics અલ્ટ્રાસોનિક સાધનોની સંપૂર્ણ શ્રેણી પૂરી પાડે છે, જેમાં નમૂનાની તૈયારી માટેના નાના, હાથમાં પકડી શકાય તેવા અલ્ટ્રાસોનિક હોમોજેનાઇઝરથી લઈને બેન્ચ પર મૂકી શકાય તેવી અને પાઇલટ પ્રણાલીઓ તેમજ પ્રતિ કલાક ટ્રકભર સામગ્રીનું સરળતાથી પ્રોસેસિંગ કરી શકતા શક્તિશાળી ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક એકમોનો સમાવેશ થાય છે. સ્થાપન અને માઉન્ટિંગના વિકલ્પોમાં બહુમુખી અને લવચીક હોવાથી, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરોને તમામ પ્રકારના બેચ રિએક્ટરો, ફેડ-બેચ પ્રણાલીઓ અથવા સતત પ્રવાહવાળી વ્યવસ્થાઓમાં સરળતાથી સંકલિત કરી શકાય છે.
વિવિધ સહાયક સાધનો તેમજ જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા ભાગો તમારી અલ્ટ્રાસોનિક વ્યવસ્થાને તમારી પ્રક્રિયાની જરૂરિયાતોને આદર્શ રીતે અનુરૂપ બનાવવાનું શક્ય બનાવે છે.
પડકારજનક પરિસ્થિતિઓમાં સંપૂર્ણ ભાર હેઠળ ભારે કામગીરી સાથે 24/7 કાર્ય કરવા માટે બનાવેલા Hielscher અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસરો વિશ્વસનીય છે અને તેમને માત્ર ઓછી જાળવણીની જરૂર પડે છે.
નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રોસેસિંગ ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે: