ייצור ביוסינתטי של אוליגוסכרידים מחלב אם

הביוסינתזה של אוליגוסכרידים מחלב אם (HMOs) באמצעות תסיסה או תגובות אנזימטיות היא תהליך מורכב, צורך משאבים ולעיתים קרובות בעל תפוקה נמוכה. טיפול אולטרסוני מגביר את מעבר המסה בין הסובסטרט למפעלי התאים וממריץ את גדילת התאים ואת חילוף החומרים שלהם. בכך, סוניקציה מעצימה תהליכי תסיסה ותהליכים ביוכימיים ומביאה לייצור מהיר ויעיל יותר של HMOs.

אוליגוסכרידים מחלב אם

אוליגוסכרידים מחלב אם (HMOs), הידועים גם כגליקנים של חלב אם, הם מולקולות סוכר המשתייכות לקבוצת האוליגוסכרידים. דוגמאות בולטות ל-HMOs כוללות 2’-פוקוזיללקטוז (2'-FL), לקטו-N-נאוטטראוז (LNnT), 3’-גלקטוזיללקטוז (3'-GL) ודיפוקוזיללקטוז (DFL).
בעוד שחלב אם מכיל יותר מ-150 מבנים שונים של HMO, רק 2′-פוקוזיללקטוז (2′-FL) ולקטו-N-נאוטטראוז (LNnT) מיוצרים כיום בקנה מידה מסחרי ומשמשים כתוספי תזונה בתמ״ל.
אוליגוסכרידים מחלב אם (HMOs) ידועים בחשיבותם לתזונת תינוקות. אוליגוסכרידים מחלב אם הם סוג ייחודי של רכיבי תזונה, הפועלים במעי התינוק כפרה-ביוטיקה, כחומרים אנטימיקרוביאליים המונעים היצמדות וכמווסתי מערכת החיסון, ותורמים במידה ניכרת להתפתחות המוח. HMOs מצויים אך ורק בחלב אם אנושי; חלב של יונקים אחרים (למשל פרות, עיזים, כבשים, גמלים וכו׳) אינו מכיל צורות ספציפיות אלה של אוליגוסכרידים.
אוליגוסכרידים מחלב אם הם הרכיב המוצק השלישי בשכיחותו בחלב אם, והם יכולים להימצא במים בצורה מומסת, מתוחלבת או מרחפת. לקטוז וחומצות שומן הם המוצקים השכיחים ביותר בחלב אם. HMOs מצויים בריכוז של 0.35–0.88 אונקיות (9.9–24.9 g)/ L. מוכרים כ-200 אוליגוסכרידים מחלב אם בעלי מבנים שונים. האוליגוסכריד הדומיננטי אצל 80% מכלל הנשים הוא 2'-פוקוזיללקטוז, המצוי בחלב אם בריכוז של כ-2.5 g/ L.
מכיוון ש-HMOs אינם מתעכלים, הם אינם תורמים קלוריות לתזונה. בהיותם פחמימות שאינן מתעכלות, הם מתפקדים כפרה-ביוטיקה ועוברים תסיסה בררנית על ידי מיקרופלורת המעי הרצויה, ובמיוחד ביפידובקטריה.

ביוסינתזה של אוליגוסכרידים מחלב אם

מפעלי תאים ומערכות אנזימטיות / כימו-אנזימטיות הם טכנולוגיות המשמשות כיום לסינתזה של HMOs. לייצור HMO בקנה מידה תעשייתי, תסיסה באמצעות מפעלי תאים מיקרוביאליים, סינתזה ביוכימית ותגובות אנזימטיות שונות הן דרכים ישימות לייצור ביולוגי של HMO. משיקולים כלכליים, ביוסינתזה באמצעות מפעלי תאים מיקרוביאליים היא כיום הטכניקה היחידה המשמשת לייצור HMOs בקנה מידה תעשייתי.

תסיסה לייצור HMOs באמצעות מפעלי תאים מיקרוביאליים

E.coli, Saccharomyces cerevisiae ו-Lactococcus lactis משמשים בדרך כלל כמפעלים תאיים לייצור ביולוגי של מולקולות ביולוגיות כגון אוליגוסכרידים של חלב אם (HMOs). תסיסה היא תהליך ביוכימי המשתמש במיקרואורגניזמים כדי להמיר מצע למולקולות הביולוגיות הרצויות. מפעלים תאיים מיקרוביאליים משתמשים בסוכרים פשוטים כמצע וממירים אותם ל-HMOs. מכיוון שסוכרים פשוטים (למשל לקטוז) הם מצע זמין בשפע וזול, הדבר שומר על הכדאיות הכלכלית של תהליך הביוסינתזה.
קצב הגדילה וקצב ההמרה הביולוגית מושפעים בעיקר ממעבר המסה של חומרי ההזנה (המצע) אל המיקרואורגניזמים. קצב מעבר המסה הוא גורם מרכזי המשפיע על סינתזת התוצר במהלך התסיסה. טיפול אולטרסוני ידוע היטב כמקדם מעבר מסה.
במהלך התסיסה יש לנטר ולווסת ללא הרף את התנאים בביוריאקטור, כדי שהתאים יוכלו לגדול מהר ככל האפשר ולאחר מכן לייצר את הביומולקולות הרצויות (למשל אוליגוסכרידים כגון HMOs; אינסולין; חלבונים רקומביננטיים). תאורטית, יצירת התוצר מתחילה ברגע שתרבית התאים מתחילה לגדול. עם זאת, במיוחד בתאים שעברו שינוי גנטי, כגון מיקרואורגניזמים מהונדסים, היא מושרית בדרך כלל בשלב מאוחר יותר באמצעות הוספת חומר כימי למצע, המגביר את ביטוי הביומולקולה הרצויה. ניתן לשלוט במדויק בביוריאקטורים אולטרסוניים (סונו-ביוריאקטורים), והם מאפשרים גירוי ממוקד של מיקרואורגניזמים. הדבר מביא לביוסינתזה מואצת ולתפוקות גבוהות יותר.
ליזיס ומיצוי אולטרסוניים: תסיסה של HMOs מורכבים עשויה להיות מוגבלת עקב טיטרים נמוכים בתסיסה ותוצרים הנשארים בתוך התאים. ליזיס ומיצוי אולטרסוניים משמשים לשחרור חומר תוך-תאי לפני טיהור ותהליכי המשך.

תסיסה המקודמת באמצעות טיפול אולטרסוני

ניתן להאיץ את קצב הגדילה של מיקרואורגניזמים כגון Escherichia coli, E.coli מהונדס, Saccharomyces cerevisiae ו-Lactococcus lactis באמצעות הגדלת קצב מעבר המסה וחדירות דופן התא על ידי הפעלת טיפול אולטרסוני מבוקר בתדר נמוך. כטכניקת עיבוד מתונה ולא תרמית, הטיפול האולטרסוני מפעיל כוחות מכניים בלבד בתוך מרק התסיסה.
קוויטציה אקוסטית: עקרון הפעולה של סוניקציה מבוסס על קוויטציה אקוסטית. הגשוש האולטרסוני (סונוטרודה) מצמד גלי אולטרסאונד בתדר נמוך אל התווך. גלי האולטרסאונד מתפשטים בנוזל ויוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) / לחץ נמוך (הקלשה). דחיסת הנוזל ומתיחתו במחזורים מתחלפים יוצרות בועות ריק זעירות. בועות הריק הקטנות הללו גדלות לאורך כמה מחזורים עד שהן מגיעות לגודל שבו אינן יכולות לספוג עוד אנרגיה. בנקודה זו של גדילה מרבית, בועת הריק קורסת פנימה בעוצמה ויוצרת תנאים קיצוניים מקומיים, הידועים כתופעת הקוויטציה. ב״מוקד החם״ של הקוויטציה ניתן לצפות בהפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים ובכוחות גזירה עזים, עם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/sec. השפעות קוויטציה אלה משיגות מעבר מסה יסודי וסונופורציה (ניקוב דופנות תאים וקרומי תאים). חומרי ההזנה שבמצע נישאים אל התאים החיים השלמים ולתוכם, כך שהמפעלים התאיים מוזנים באופן מיטבי וקצבי הגדילה וההמרה מואצים. ביוריאקטורים אולטרסוניים הם אסטרטגיה פשוטה אך יעילה ביותר לעיבוד ביומסה בתהליך ביוסינתזה בכלי יחיד.
סוניקציה מתונה ומבוקרת במדויק ידועה היטב כמגבירה תהליכי תסיסה.
סוניקציה משפרת את ״הפרודוקטיביות של תהליכים ביולוגיים רבים המערבים תאים חיים באמצעות שיפור קליטת המצע, הגברת הייצור או הגדילה על ידי הגדלת נקבוביות התאים, ואפשרות לשחרור מוגבר של רכיבי תאים.״ (Naveena et al. 2015)
קראו עוד על תסיסה בסיוע טיפול אולטרסוני!

Naveena ועמיתיו (2015) מצאו כי הגברת תהליכים באמצעות אולטרסאונד מציעה כמה יתרונות במהלך עיבוד ביולוגי, ובהם עלויות תפעול נמוכות בהשוואה לאפשרויות טיפול אחרות לשיפור התהליך, פשטות תפעול ודרישות הספק מתונות.

ריאקטורים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לתסיסה

תהליכי תסיסה כוללים מיקרואורגניזמים חיים, כגון חיידקים או שמרים, המתפקדים כמפעלי תאים. כאשר משתמשים בסוניקציה כדי לשפר את מעבר המסה ולהגביר את קצב הגדילה וההמרה של המיקרואורגניזמים, חיוני לשלוט במדויק בעוצמת האולטרסאונד כדי למנוע את הרס מפעלי התאים.
Hielscher Ultrasonics מתמחה בתכנון, בייצור ובהפצה של מכשירי אולטרסאונד בעלי ביצועים גבוהים, שניתן לשלוט בהם ולנטר אותם במדויק כדי להבטיח תפוקות תסיסה מעולות.

בקרת התהליך חיונית לא רק להשגת תפוקות גבוהות ואיכות מעולה, אלא גם מאפשרת לחזור על התוצאות ולשחזר אותן. במיוחד כשמדובר בגירוי מפעלי תאים, התאמת פרמטרי הסוניקציה לסוג התאים חיונית להשגת תפוקות גבוהות ולמניעת התפרקות התאים. לכן, כל הדגמים הדיגיטליים של מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מצוידים בתוכנה חכמה, המאפשרת להתאים, לנטר ולעדכן את פרמטרי הסוניקציה. פרמטרים של התהליך האולטרסוני, כגון משרעת, טמפרטורה, לחץ, משך הסוניקציה, מחזורי עבודה ואנרגיה מושקעת, חיוניים לקידום ייצור HMO באמצעות תסיסה.
התוכנה החכמה של מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מתעדת אוטומטית את כל פרמטרי התהליך החשובים בכרטיס ה-SD המובנה. התיעוד האוטומטי של נתוני תהליך הסוניקציה הוא הבסיס לתקנון התהליך ולהדירות / חזרתיות, הנדרשים במסגרת תנאי ייצור נאותים (GMP).

ריאקטורים אולטרסוניים לתסיסה

Hielscher מציעה גשושים אולטרסוניים בגדלים, באורכים ובצורות גאומטריות שונים, שניתן להשתמש בהם לטיפולים באצווה וכן לטיפולים בזרימה רציפה. ריאקטורים אולטרסוניים, המכונים גם סונו-ביוריאקטורים, זמינים לכל נפח ומכסים את טווח העיבוד הביולוגי האולטרסוני, החל מדגימות מעבדה קטנות ועד לקנה מידה של פיילוט וייצור מסחרי מלא.
ידוע היטב שמיקום הסונוטרודה האולטרסונית בכלי התגובה משפיע על פיזור הקוויטציה והמיקרו-זרימה בתוך התווך. יש לבחור את הסונוטרודה ואת הריאקטור האולטרסוני בהתאם לנפח העיבוד של מרק התאים. אף שניתן לבצע סוניקציה באצווה וכן באופן רציף, לנפחי ייצור גבוהים מומלץ להשתמש במערכת זרימה רציפה. במעבר דרך תא זרימה אולטרסוני, כל מצע התאים נחשף לסוניקציה בדיוק באותה מידה, ובכך מובטח הטיפול היעיל ביותר. המגוון הרחב של גשושים אולטרסוניים וריאקטורים בעלי תא זרימה של Hielscher Ultrasonics מאפשר להרכיב את המערך האידיאלי לעיבוד ביולוגי אולטרסוני.

Hielscher Ultrasonics – ממעבדה לפיילוט ולייצור

Hielscher Ultrasonics מכסה את מלוא מגוון הציוד האולטרסוני ומציעה הומוגנייזרים אולטרסוניים קומפקטיים לאחיזה ביד להכנת דגימות, מערכות שולחניות ומערכות פיילוט, וכן יחידות אולטרסוניות תעשייתיות רבות עוצמה המעבדות בקלות כמויות של מטעני משאיות בשעה. הודות לרבגוניות ולגמישות באפשרויות ההתקנה וההרכבה, ניתן לשלב בקלות את המכשירים האולטרסוניים של Hielscher בכל סוגי הריאקטורים המנתיים, המערכות המנתיות המוזנות או מערכי העיבוד בזרימה רציפה.
מגוון אביזרים וכן חלקים המותאמים אישית מאפשרים להתאים באופן מיטבי את המערך האולטרסוני שלכם לדרישות התהליך שלכם.
המעבדים האולטרסוניים של Hielscher, שנבנו לפעולה 24/7 בעומס מלא ולעבודה מאומצת בתנאים תובעניים, הם אמינים ודורשים תחזוקה מועטה בלבד.
הטבלה שלהלן נותנת מושג על קיבולת העיבוד המשוערת של המכשירים האולטרסוניים שלנו: