मानव दूध के ओलिगोसैकराइडों का जैवसंश्लेषण द्वारा उत्पादन

किण्वन या एंज़ाइमी अभिक्रियाओं के माध्यम से मानव दूध के ओलिगोसैकराइडों (HMOs) का जैवसंश्लेषण एक जटिल, संसाधनों की खपत करने वाली और अक्सर कम उपज देने वाली प्रक्रिया है। अल्ट्रासोनिकेशन सब्सट्रेट और कोशिका कारखानों के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण बढ़ाता है तथा कोशिका वृद्धि और चयापचय को उत्तेजित करता है। इस प्रकार, सोनिकेशन किण्वन और जैवरासायनिक प्रक्रियाओं को तीव्र करता है, जिससे HMOs का उत्पादन अधिक तेज़ी से और अधिक कुशलता से होता है।

मानव दूध के ओलिगोसैकराइड

मानव दूध के ओलिगोसैकराइड (HMOs), जिन्हें मानव दूध के ग्लाइकैन भी कहा जाता है, शर्करा के अणु हैं जो ओलिगोसैकराइड समूह का हिस्सा हैं। HMOs के प्रमुख उदाहरणों में 2’-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3’-galactosyllactose (3′-GL) और difucosyllactose (DFL) शामिल हैं।
हालाँकि मानव स्तन दूध में 150 से अधिक भिन्न HMO संरचनाएँ होती हैं, वर्तमान में केवल 2′-fucosyllactose (2′-FL) और lacto-N-neotetraose (LNnT) का व्यावसायिक स्तर पर उत्पादन किया जाता है और शिशु फ़ॉर्मूला में पोषण संबंधी योजकों के रूप में उपयोग किया जाता है।
मानव दूध के ओलिगोसैकराइड (HMOs) शिशु पोषण में अपने महत्त्व के लिए जाने जाते हैं। मानव दूध के ओलिगोसैकराइड एक विशिष्ट प्रकार के पोषक तत्त्व हैं, जो शिशु की आंत में प्रीबायोटिक, आसंजनरोधी रोगाणुरोधी और प्रतिरक्षा नियामक के रूप में कार्य करते हैं तथा मस्तिष्क के विकास में पर्याप्त योगदान देते हैं। HMOs केवल मानव स्तन दूध में पाए जाते हैं; अन्य स्तनधारियों के दूध (जैसे गाय, बकरी, भेड़, ऊँट आदि) में ओलिगोसैकराइडों के ये विशिष्ट रूप नहीं होते।
मानव दूध के ओलिगोसैकराइड मानव दूध में मात्रा की दृष्टि से तीसरे सबसे प्रचुर ठोस घटक हैं, जो पानी में घुले हुए, पायसीकृत या निलंबित रूप में मौजूद हो सकते हैं। लैक्टोज़ और वसीय अम्ल मानव दूध में पाए जाने वाले सबसे प्रचुर ठोस पदार्थ हैं। HMOs की सांद्रता 0.35–0.88 औंस (9.9–24.9 g)/ L होती है। संरचनात्मक रूप से भिन्न लगभग 200 मानव दूध के ओलिगोसैकराइड ज्ञात हैं। सभी महिलाओं में से 80% में प्रमुख ओलिगोसैकराइड 2′-fucosyllactose है, जो मानव स्तन दूध में लगभग 2.5 g/ L की सांद्रता में मौजूद होता है।
चूँकि HMOs पचते नहीं हैं, इसलिए वे पोषण में कैलोरी का योगदान नहीं देते। अपाच्य कार्बोहाइड्रेट होने के कारण, वे प्रीबायोटिक के रूप में कार्य करते हैं और लाभकारी आंत्र सूक्ष्मजीवों, विशेष रूप से बिफिडोबैक्टीरिया, द्वारा चयनात्मक रूप से किण्वित किए जाते हैं।

मानव दूध के ओलिगोसैकराइडों का जैवसंश्लेषण

कोशिका कारखाने और एंज़ाइमी / रासायनिक-एंज़ाइमी प्रणालियाँ HMOs के संश्लेषण के लिए वर्तमान में उपयोग की जाने वाली प्रौद्योगिकियाँ हैं। औद्योगिक पैमाने पर HMO उत्पादन के लिए, सूक्ष्मजीवी कोशिका कारखानों का किण्वन, जैवरासायनिक संश्लेषण और विभिन्न एंज़ाइमी अभिक्रियाएँ HMO के जैविक उत्पादन के व्यवहार्य तरीके हैं। आर्थिक कारणों से, सूक्ष्मजीवी कोशिका कारखानों के माध्यम से जैवसंश्लेषण वर्तमान में HMOs के औद्योगिक उत्पादन स्तर पर उपयोग की जाने वाली एकमात्र तकनीक है।

सूक्ष्मजीवी कोशिका कारखानों का उपयोग करके HMOs का किण्वन

E.coli, Saccharomyces cerevisiae और Lactococcus lactis सामान्यतः उपयोग किए जाने वाले कोशिका कारखाने हैं, जिनका उपयोग HMOs जैसे जैविक अणुओं के जैव-उत्पादन के लिए किया जाता है। किण्वन एक जैवरासायनिक प्रक्रिया है, जिसमें सूक्ष्मजीवों का उपयोग करके सब्सट्रेट को लक्षित जैविक अणुओं में परिवर्तित किया जाता है। सूक्ष्मजीवी कोशिका कारखाने सरल शर्कराओं को सब्सट्रेट के रूप में उपयोग करते हैं और उन्हें HMOs में परिवर्तित करते हैं। चूँकि सरल शर्कराएँ (जैसे लैक्टोज़) प्रचुर मात्रा में उपलब्ध, सस्ता सब्सट्रेट हैं, इसलिए जैव-संश्लेषण प्रक्रिया किफायती बनी रहती है।
वृद्धि और जैव-रूपांतरण की दर मुख्यतः सूक्ष्मजीवों तक पोषक तत्वों (सब्सट्रेट) के द्रव्यमान स्थानांतरण से प्रभावित होती है। द्रव्यमान स्थानांतरण दर एक प्रमुख कारक है, जो किण्वन के दौरान उत्पाद के संश्लेषण को प्रभावित करता है। अल्ट्रासोनिकेशन द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देने के लिए सुविख्यात है।
किण्वन के दौरान बायोरिएक्टर की परिस्थितियों की लगातार निगरानी और उनका नियमन करना आवश्यक है, ताकि कोशिकाएँ यथासंभव तेज़ी से बढ़ सकें और फिर लक्षित जैव-अणुओं (जैसे HMOs जैसे ओलिगोसैकराइड; इंसुलिन; पुनःसंयोजक प्रोटीन) का उत्पादन कर सकें। सैद्धांतिक रूप से, कोशिका संवर्धन में वृद्धि शुरू होते ही उत्पाद का निर्माण शुरू हो जाता है। हालाँकि, विशेष रूप से आनुवंशिक रूप से संशोधित कोशिकाओं, जैसे इंजीनियर किए गए सूक्ष्मजीवों में, इसे आमतौर पर बाद में सब्सट्रेट में एक रासायनिक पदार्थ मिलाकर प्रेरित किया जाता है, जो लक्षित जैव-अणु की अभिव्यक्ति को बढ़ाता है। अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टरों (सोनो-बायोरिएक्टर) को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और वे सूक्ष्मजीवों के विशिष्ट उद्दीपन की सुविधा देते हैं। इससे जैव-संश्लेषण तेज़ होता है और उपज बढ़ती है।
अल्ट्रासोनिक लयन और निष्कर्षण: जटिल HMOs का किण्वन कम किण्वन टाइटर और उत्पादों के कोशिका के भीतर बने रहने के कारण सीमित हो सकता है। शुद्धिकरण और आगे की प्रसंस्करण प्रक्रियाओं से पहले अंतःकोशिकीय सामग्री को मुक्त करने के लिए अल्ट्रासोनिक लयन और निष्कर्षण का उपयोग किया जाता है।

अल्ट्रासोनिक रूप से संवर्धित किण्वन

नियंत्रित निम्न-आवृत्ति अल्ट्रासोनिकेशन लागू करके द्रव्यमान स्थानांतरण दर और कोशिका भित्ति की पारगम्यता बढ़ाई जा सकती है, जिससे Escherichia coli, इंजीनियर किए गए E.coli, Saccharomyces cerevisiae और Lactococcus lactis जैसे सूक्ष्मजीवों की वृद्धि दर तेज़ की जा सकती है। एक सौम्य, गैर-तापीय प्रसंस्करण तकनीक के रूप में, अल्ट्रासोनिकेशन किण्वन शोरबे में विशुद्ध रूप से यांत्रिक बल लागू करता है।
ध्वनिक कैविटेशन: सोनिकेशन का कार्य सिद्धांत ध्वनिक कैविटेशन पर आधारित है। अल्ट्रासोनिक प्रोब (सोनोट्रोड) निम्न-आवृत्ति की अल्ट्रासाउंड तरंगों को माध्यम में संचारित करता है। अल्ट्रासाउंड तरंगें द्रव से होकर गुज़रती हैं और बारी-बारी से उच्च-दाब (संपीड़न) / निम्न-दाब (विरलन) चक्र उत्पन्न करती हैं। बारी-बारी से होने वाले चक्रों में द्रव के संपीड़ित होने और खिंचने से अत्यंत छोटे निर्वात बुलबुले उत्पन्न होते हैं। ये छोटे निर्वात बुलबुले कई चक्रों के दौरान बढ़ते हैं, जब तक कि वे ऐसे आकार तक नहीं पहुँच जाते जहाँ वे और ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते। अधिकतम वृद्धि के इस बिंदु पर निर्वात बुलबुला प्रचंड रूप से भीतर की ओर ध्वस्त हो जाता है और स्थानीय स्तर पर चरम परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है; इस परिघटना को कैविटेशन कहा जाता है। कैविटेशन के “हॉट-स्पॉट” में दाब और तापमान के बड़े अंतर तथा 280m/sec तक की गति वाले द्रव जेटों के साथ तीव्र अपरूपण बल देखे जा सकते हैं। इन कैविटेशन प्रभावों से व्यापक द्रव्यमान स्थानांतरण और सोनोपोरेशन (कोशिका भित्तियों और कोशिका झिल्लियों में छिद्र बनना) प्राप्त होते हैं। सब्सट्रेट के पोषक तत्व जीवित संपूर्ण कोशिकाओं तक और उनके भीतर पहुँचाए जाते हैं, जिससे कोशिका कारखानों को इष्टतम पोषण मिलता है तथा वृद्धि और रूपांतरण की दरें तेज़ होती हैं। एक ही पात्र में होने वाली जैव-संश्लेषण प्रक्रिया में बायोमास का प्रसंस्करण करने के लिए अल्ट्रासोनिक बायोरिएक्टर एक सरल, फिर भी अत्यधिक प्रभावी रणनीति हैं।
सटीक रूप से नियंत्रित, सौम्य सोनिकेशन किण्वन प्रक्रियाओं को तीव्र करने के लिए सुविख्यात है।
सोनिकेशन “सब्सट्रेट के अवशोषण को बढ़ाकर, कोशिकाओं की सरंध्रता बढ़ाने से उत्पादन या वृद्धि को बढ़ाकर और संभावित रूप से कोशिका घटकों की मुक्ति को बढ़ाकर, जीवित कोशिकाओं से जुड़ी अनेक जैव-प्रक्रियाओं की उत्पादकता” में सुधार करता है। (Naveena et al. 2015)
अल्ट्रासोनिक-सहायित किण्वन के बारे में और पढ़ें!

Naveena और सहकर्मियों (2015) ने पाया कि अल्ट्रासोनिक तीव्रीकरण जैवप्रसंस्करण के दौरान कई लाभ प्रदान करता है, जिनमें प्रक्रिया को बेहतर बनाने वाले अन्य उपचार विकल्पों की तुलना में कम परिचालन लागत, संचालन की सरलता और कम विद्युत शक्ति की आवश्यकता शामिल हैं।

उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक किण्वन रिएक्टर

किण्वन प्रक्रियाओं में बैक्टीरिया या यीस्ट जैसे जीवित सूक्ष्मजीव शामिल होते हैं, जो कोशिका कारखानों के रूप में कार्य करते हैं। द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देने तथा सूक्ष्मजीवों की वृद्धि और रूपांतरण दर बढ़ाने के लिए सोनिकेशन का उपयोग किया जाता है, लेकिन कोशिका कारखानों के विनाश से बचने के लिए अल्ट्रासोनिक तीव्रता को सटीक रूप से नियंत्रित करना अत्यंत आवश्यक है।
Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिकेटरों के डिज़ाइन, निर्माण और वितरण में विशेषज्ञ है। इन अल्ट्रासोनिकेटरों को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और उनकी निगरानी की जा सकती है, ताकि किण्वन से बेहतर उपज सुनिश्चित हो सके।

प्रक्रिया नियंत्रण न केवल उच्च उपज और बेहतर गुणवत्ता के लिए आवश्यक है, बल्कि परिणामों को दोहराना और पुनरुत्पादित करना भी संभव बनाता है। विशेष रूप से कोशिका कारखानों के उद्दीपन के मामले में, उच्च उपज प्राप्त करने और कोशिका क्षय को रोकने के लिए सोनिकेशन मापदंडों को कोशिका के अनुसार अनुकूलित करना आवश्यक है। इसलिए, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों के सभी डिजिटल मॉडल बुद्धिमान सॉफ़्टवेयर से सुसज्जित हैं, जो आपको सोनिकेशन मापदंडों को समायोजित करने, उनकी निगरानी करने और उन्हें संशोधित करने की सुविधा देता है। आयाम, तापमान, दबाव, सोनिकेशन अवधि, कार्य चक्र और ऊर्जा निवेश जैसे अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया मापदंड किण्वन द्वारा HMO उत्पादन को बढ़ावा देने के लिए आवश्यक हैं।
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों का स्मार्ट सॉफ़्टवेयर सभी महत्वपूर्ण प्रक्रिया मापदंडों को एकीकृत SD-कार्ड पर स्वतः रिकॉर्ड करता है। सोनिकेशन प्रक्रिया के डेटा की स्वचालित रिकॉर्डिंग प्रक्रिया मानकीकरण और पुनरुत्पादकता / पुनरावर्तनीयता का आधार है, जो अच्छी विनिर्माण पद्धतियों (GMP) के लिए आवश्यक हैं।

किण्वन के लिए अल्ट्रासोनिक रिएक्टर

Hielscher विभिन्न आकारों, लंबाइयों और ज्यामितियों वाले अल्ट्रासोनिक प्रोब प्रदान करता है, जिनका उपयोग बैच के साथ-साथ निरंतर प्रवाह वाले उपचारों के लिए भी किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक रिएक्टर, जिन्हें सोनो-बायोरिएक्टर भी कहा जाता है, किसी भी आयतन के लिए उपलब्ध हैं और छोटे प्रयोगशाला नमूनों से लेकर पायलट तथा पूर्ण वाणिज्यिक उत्पादन स्तर तक अल्ट्रासोनिक जैवप्रसंस्करण की आवश्यकताओं को पूरा करते हैं।
यह सर्वविदित है कि अभिक्रिया पात्र में अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड का स्थान माध्यम के भीतर कैविटेशन और सूक्ष्म प्रवाह के वितरण को प्रभावित करता है। सोनोट्रोड और अल्ट्रासोनिक रिएक्टर का चयन कोशिका संवर्धन द्रव के प्रसंस्करण आयतन के अनुसार किया जाना चाहिए। सोनिकेशन बैच और निरंतर, दोनों विधियों में किया जा सकता है, लेकिन उच्च उत्पादन आयतन के लिए निरंतर प्रवाह वाली प्रणाली के उपयोग की अनुशंसा की जाती है। अल्ट्रासोनिक प्रवाह सेल से गुजरते समय पूरे कोशिका संवर्धन माध्यम पर बिल्कुल समान मात्रा में सोनिकेशन होता है, जिससे सबसे प्रभावी उपचार सुनिश्चित होता है। Hielscher Ultrasonics के अल्ट्रासोनिक प्रोब और प्रवाह सेल रिएक्टरों की विस्तृत शृंखला आदर्श अल्ट्रासोनिक जैवप्रसंस्करण प्रणाली तैयार करना संभव बनाती है।

Hielscher Ultrasonics – प्रयोगशाला से पायलट स्तर और फिर उत्पादन तक

Hielscher Ultrasonics अल्ट्रासोनिक उपकरणों की पूरी श्रृंखला प्रदान करता है, जिसमें नमूना तैयार करने के लिए कॉम्पैक्ट, हाथ में पकड़े जाने वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र से लेकर बेंचटॉप और पायलट प्रणालियाँ तथा शक्तिशाली औद्योगिक अल्ट्रासोनिक इकाइयाँ शामिल हैं, जो आसानी से प्रति घंटे कई ट्रक भर सामग्री का प्रसंस्करण करती हैं। स्थापना और माउंटिंग के बहुमुखी तथा लचीले विकल्पों के कारण Hielscher अल्ट्रासोनिकेटरों को सभी प्रकार के बैच रिएक्टरों, फेड-बैच या निरंतर प्रवाह वाली व्यवस्थाओं में आसानी से एकीकृत किया जा सकता है।
विभिन्न सहायक उपकरण और विशेष रूप से निर्मित पुर्जे आपकी अल्ट्रासोनिक व्यवस्था को आपकी प्रक्रिया की आवश्यकताओं के अनुरूप आदर्श रूप से ढालने की सुविधा देते हैं।
चुनौतीपूर्ण परिस्थितियों में पूर्ण भार पर और भारी कार्यभार के साथ 24/7 संचालन के लिए निर्मित Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर विश्वसनीय हैं और उन्हें केवल कम रखरखाव की आवश्यकता होती है।
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: