Biosynthetic Production of Human Milk Oligosaccharides

किण्वन या एंजाइमेटिक प्रतिक्रियाओं के माध्यम से मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स (एचएमओ) का बायोसिंथेसिस एक जटिल, उपभोग और अक्सर कम उपज वाली प्रक्रिया है। अल्ट्रासोनिकेशन सब्सट्रेट और सेल कारखानों के बीच बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ाता है जो कोशिका विकास और चयापचय को उत्तेजित करता है। इस प्रकार, सोनीशन किण्वन और जैव-रासायनिक प्रक्रियाओं को तेज करता है जिसके परिणामस्वरूप एचएमओ का त्वरित और अधिक कुशल उत्पादन होता है।

मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स

मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स (एचएमओ), जिसे मानव दूध ग्लाइकन के रूप में भी जाना जाता है, चीनी अणु हैं, जो ओलिगोसैकराइड्स समूह का हिस्सा हैं। एचएमओ के प्रमुख उदाहरणों में 2'-फ्यूकोसिल्लाक्टोज शामिल हैं (2′-FL), लैक्टो-एन-नियोटेट्रास (एलएनटी), 3'-गैलेक्टोसिलेक्टोज (3′-जीएल), और डिफ्यूकोसिलेलासेक्टोज (डीएफएल) ।
जबकि मानव स्तन का दूध विभिन्न 150 एचएमओ संरचनाओं से अधिक से बना है, केवल 2'-fucosyllactose (2'-FL) और लैक्टो-एन-नियोटेट्राओस (एलएनटी) वर्तमान में वाणिज्यिक स्तर पर उत्पादित होते हैं और शिशु सूत्र में पोषण योजक के रूप में उपयोग किए जाते हैं।
मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स (एचएमओ) बच्चे के पोषण में उनके महत्व के लिए जाना जाता है। मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स एक अद्वितीय प्रकार के पोषक तत्व हैं, जो शिशु के पेट के भीतर प्रीबायोटिक्स, एंटी-चिपकने वाले एंटीमाइक्रोबिल्स और इम्यूनोमोडुलेटर के रूप में कार्य करते हैं और मस्तिष्क के विकास में काफी योगदान देते हैं। एचएमओ विशेष रूप से मानव स्तन के दूध में पाए जाते हैं; अन्य स्तनधारी दूध (जैसे गाय, बकरी, भेड़, ऊंट आदि) में ओलिगोसैकराइड्स का ये विशिष्ट रूप नहीं होता है।
मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स मानव दूध में तीसरा सबसे प्रचुर मात्रा में ठोस घटक है, जो या तो पानी में भंग या पायस या निलंबित रूप में मौजूद हो सकता है। लैक्टोज और फैटी एसिड मानव दूध में पाए जाने वाले सबसे प्रचुर मात्रा में ठोस होते हैं। एचएमओ 0.35-0.88 औंस (9.9-24.9 ग्राम) की एकाग्रता में मौजूद हैं/ एल लगभग 200 संरचनात्मक रूप से अलग-अलग मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स जाने जाते हैं। सभी महिलाओं के 80% में प्रमुख ओलिगोसैकराइड 2 है′-fucosyllactose, जो लगभग 2.5 ग्राम/
चूंकि एचएमओ पचा नहीं रहे हैं, इसलिए वे पोषण में कैलोरीकर योगदान नहीं करते हैं। सहज कार्बोहाइड्रेट होने के नाते, वे प्रीबायोटिक्स के रूप में कार्य करते हैं और वांछनीय आंत माइक्रोफ्लोरा, विशेष रूप से बिफिडोबैक्टीरिया द्वारा चुनिंदा रूप से किण्वित होते हैं।

मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स (एचएमओ) के स्वास्थ्य लाभ

• शिशुओं के विकास को बढ़ावा देना
• मस्तिष्क के विकास के लिए महत्वपूर्ण हैं
• विरोधी भड़काऊ है और
• गैस्ट्रो-आंतों के पथ में एंटी-चिपकने वाला प्रभाव
• वयस्कों में प्रतिरक्षा प्रणाली का समर्थन करता है

मानव दूध ओलिगोसैकराइड्स का बायोसिंथेसिस

सेल कारखानों और एंजाइमेटिक/कीमो-एंजाइमेटिक सिस्टम एचएमओ के संश्लेषण के लिए उपयोग की जाने वाली वर्तमान प्रौद्योगिकियां हैं । औद्योगिक पैमाने पर एचएमओ उत्पादन के लिए, माइक्रोबियल सेल कारखानों का किण्वन, जैव-रासायनिक संश्लेषण, और विभिन्न एंजाइमेटिक प्रतिक्रियाएं एचएमओ जैव-उत्पादन के व्यवहार्य तरीके हैं। आर्थिक कारणों से माइक्रोबियल सेल फैक्ट्रियों के जरिए बायो सिंथेसिस वर्तमान में एचएमओ के औद्योगिक उत्पादन स्तर पर इस्तेमाल होने वाली एकमात्र तकनीक है ।

माइक्रोबियल सेल कारखानों का उपयोग करके एचएमओ का किण्वन

ई. कोलाई, सैकरोमाइसेस सेरेविसिया और लैक्टोकोकस लैक्टिस का उपयोग आमतौर पर एचएमओ जैसे जैविक अणुओं के जैव-उत्पादन के लिए उपयोग किए जाने वाले सेल कारखानों का उपयोग किया जाता है। किण्वन एक जैव रासायनिक प्रक्रिया है जो सूक्ष्म जीवों का उपयोग करके एक सब्सट्रेट को लक्षित जैविक अणुओं में परिवर्तित करने के लिए है। माइक्रोबियल सेल कारखाने सब्सट्रेट के रूप में सरल शर्करा का उपयोग करते हैं, जिसे वे एचएमओ में परिवर्तित करते हैं। चूंकि सरल शर्करा (जैसे लैक्टोज) प्रचुर मात्रा में, सस्ते सब्सट्रेट हैं, इसलिए यह जैव-संश्लेषण प्रक्रिया लागत-कुशल रखता है।
विकास और जैव परिवर्तन दर मुख्य रूप से सूक्ष्मजीवों को पोषक तत्वों (सब्सट्रेट) के बड़े पैमाने पर हस्तांतरण से प्रभावित होती है। बड़े पैमाने पर हस्तांतरण दर एक मुख्य कारक है जो किण्वन के दौरान उत्पाद संश्लेषण को प्रभावित करता है। अल्ट्रासोनिकेशन बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देने के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है।
During fermentation, the conditions in the bioreactor must be constantly monitored and regulated so that the cells can grow as quickly as possible in order to then produce the targeted biomolecules (e.g. oligosaccharides such as HMOs; insulin; recombinant proteins). Theoretically, the product formation starts as soon as the cell culture begins to grow. However especially in genetically modified cells such as engineered microorganisms it is usually induced later by adding a chemical substance to the substrate, which upregulates the expression of the targeted biomolecule. Ultrasonic bioreactors (sono-bioreactor) can be precisely controlled and allow for the specific stimulation of microbes. This results in an accelerated biosynthesis and higher yields.
Ultrasonic lysis and extraction: Fermentation of complex HMOs might be limited by low fermentation titers and products remaining intracellular. Ultrasonic lysis and extraction is used to release intracellular material before purification and down-stream processes.

अल्ट्रासोनिक रूप से प्रचारित किण्वन

The growth rate of microbes such as Escherichia coli, engineered E.coli, Saccharomyces cerevisiae and Lactococcus lactis can be accelerated by increasing the mass transfer rate and cell wall permeability by applying controlled low-frequency ultrasonication. As a mild, non-thermal processing technique, ultrasonication applies purely mechanical forces into the fermentation broth.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound d waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression) / low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “hot-spot”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
एक ठीक नियंत्रित, हल्के सोनीशन किण्वन प्रक्रियाओं को तेज करने के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है।
सोनीशन "सेल पॉर्सिटी में वृद्धि करके सब्सट्रेट तेज, बढ़ाया उत्पादन या विकास की वृद्धि के माध्यम से जीवित कोशिकाओं को शामिल कई बायोप्रोसेसेस की उत्पादकता में सुधार करता है, और सेल घटकों की संभावित रूप से बढ़ी हुई रिहाई। (नवीना एट अल. २०१५)
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अल्ट्रासोनिक रूप से तेज किण्वन के फायदे

• उपज बढ़ा
• त्वरित किण्वन
• सेल-विशिष्ट उत्तेजना
• बढ़ी हुई सब्सट्रेट तेज
• बढ़ी हुई सेल पॉरोसिटी
• आसान करने के लिए संचालित
• सुरक्षित
• सरल रेट्रो फिटिंग
• रैखिक पैमाने-अप
• बैच या इनिइन प्रोसेसिंग
• फास्ट रोआई

नवीना एट अल (2015) ने पाया कि अल्ट्रासोनिक गहनता बायोप्रोसेसिंग के दौरान कई फायदे प्रदान करती है, जिसमें अन्य बढ़ाने वाले उपचार विकल्पों की तुलना में कम परिचालन लागत, ऑपरेशन की सादगी और मामूली बिजली आवश्यकताएं शामिल हैं।

उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक किण्वन रिएक्टर

किण्वन प्रक्रियाओं में बैक्टीरिया या खमीर जैसे जीवित सूक्ष्मजीव शामिल होते हैं, जो कोशिका कारखानों के रूप में कार्य करते हैं। जबकि बड़े पैमाने पर हस्तांतरण को बढ़ावा देने और सूक्ष्मजीव के विकास और रूपांतरण दर को बढ़ाने के लिए सोनीशन लागू किया जाता है, सेल कारखानों के विनाश से बचने के लिए अल्ट्रासोनिक तीव्रता को ठीक से नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है।
Hielscher Ultrasonics डिजाइन, विनिर्माण और उच्च प्रदर्शन अल्ट्रासोनिकेटर वितरण में विशेषज्ञ है, जो ठीक नियंत्रित किया जा सकता है और बेहतर किण्वन पैदावार सुनिश्चित करने के लिए निगरानी की ।
प्रक्रिया नियंत्रण न केवल उच्च पैदावार और बेहतर गुणवत्ता के लिए आवश्यक है, बल्कि परिणामों को दोहराने और पुन: पेश करने में सक्षम बनाता है। विशेष रूप से जब इस्ट कोशिका कारखानों की उत्तेजना की बात करता है, तो उच्च पैदावार प्राप्त करने और सेल क्षरण को रोकने के लिए सोनीशन मापदंडों का सेल-विशिष्ट अनुकूलन आवश्यक है। इसलिए, हिल्स्चर अल्ट्रासोनिकेटर के सभी डिजिटल मॉडल बुद्धिमान सॉफ्टवेयर से लैस हैं, जो आपको सोनीशन मापदंडों को समायोजित करने, निगरानी करने और संशोधित करने की अनुमति देता है। किण्वन के माध्यम से एचएमओ उत्पादन को बढ़ावा देने के लिए आयाम, तापमान, दबाव, सोनीशन अवधि, शुल्क चक्र और ऊर्जा इनपुट जैसे अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया पैरामीटर आवश्यक हैं।
हिल्स्चर अल्ट्रासोनिकेटर्स का स्मार्ट सॉफ्टवेयर एकीकृत एसडी-कार्ड पर सभी महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों को स्वचालित रूप से रिकॉर्ड करता है। सोनीशन प्रक्रिया की स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग प्रक्रिया मानकीकरण और प्रजनन क्षमता/पुनरावृत्ति के लिए नींव है, जो अच्छी विनिर्माण प्रथाओं (जीएमपी) के लिए आवश्यक हैं।

किण्वन के लिए अल्ट्रासोनिक रेक्टर

Hielscher offers ultrasonic probes of various size, length and geometries, which can be used for batch as well as continuous flow-through treatments. Ultrasonic reactors, also known as sono-bioreactors, are available for any volume covering the ultrasonic bioprocessing from small lab samples to pilot and fully-commercial production level.
यह सर्वविदित है कि प्रतिक्रिया पोत में अल्ट्रासोनिक सोनोट्रॉड का स्थान माध्यम के भीतर कैविटेशन और माइक्रो स्ट्रीमिंग के वितरण को प्रभावित करता है। सोनोट्रोड और अल्ट्रासोनिक रिएक्टर को सेल शोरबा की प्रसंस्करण मात्रा के अनुसार चुना जाना चाहिए। जबकि सोनीशन बैच के साथ-साथ निरंतर मोड में किया जा सकता है, उच्च उत्पादन की मात्रा के लिए निरंतर प्रवाह स्थापना के उपयोग की सिफारिश की जाती है। एक अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल के माध्यम से गुजरते हुए, सभी सेल माध्यम को सबसे प्रभावी उपचार सुनिश्चित करने के लिए सोनीफिकेशन के लिए बिल्कुल एक ही एक्सपोजर मिलता है। हिल्स्चर अल्ट्रासोनिक्स अल्ट्रासोनिक्स अल्ट्रासोनिक्स अल्ट्रासोनिक्स की विस्तृत श्रृंखला अल्ट्रासोनिक प्रोब्स और फ्लो सेल रिएक्टर आदर्श अल्ट्रासोनिक बायोप्रोसेसिंग सेटअप को इकट्ठा करने की अनुमति देती है।

Hielscher Ultrasonics – लैब से पायलट उत्पादन के लिए

Hielscher Ultrasonics बेंच-टॉप और पायलट सिस्टम के साथ-साथ शक्तिशाली औद्योगिक अल्ट्रासोनिक इकाइयों के लिए नमूना तैयारी के लिए कॉम्पैक्ट हाथ से आयोजित अल्ट्रासोनिक समरूपता प्रदान करने वाले अल्ट्रासोनिक उपकरणों के पूर्ण स्पेक्ट्रम को शामिल करता है जो आसानी से प्रति घंटे ट्रक लोड को संसाधित करता है। स्थापना और बढ़ते विकल्पों में बहुमुखी और लचीला होने के नाते, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर आसानी से बैच रिएक्टरों, फेड बैचों या निरंतर प्रवाह के माध्यम से सेटअप के सभी प्रकार में एकीकृत किया जा सकता है ।
विभिन्न सामान के साथ-साथ अनुकूलित भाग आपकी प्रक्रिया आवश्यकताओं के लिए आपके अल्ट्रासोनिक सेटअप के आदर्श अनुकूलन के लिए अनुमति देते हैं।
मांग की स्थिति में पूर्ण भार और भारी शुल्क के तहत 24/7 ऑपरेशन के लिए निर्मित, Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर विश्वसनीय है और केवल कम रखरखाव की आवश्यकता है ।
नीचे दी गई तालिका आपको हमारे अल्ट्रासोनिकटर की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: