Biosintetska proizvodnja oligosaharida ljudskog mlijeka
Biosinteza ljudskog mlijeka oligosaharidi (HMO) putem fermentacije ili enzimske reakcije je složen, konzumiranje i često low-yielding proces. Ultrasonication povećava prijenos mase između supstrata i stanica tvornice ans stimulira rast stanica i metabolizam. Time, sonication pojačava fermentaciju i biokemijske procese što rezultira ubrzanom i učinkovitijom proizvodnjom HMO-a.
Oligosaharidi ljudskog mlijeka
Ljudskog mlijeka oligosaharidi (HMO), također poznat kao ljudsko mlijeko glikani, su molekule šećera, koje su dio skupine oligosaharidi. Istaknuti primjeri HMO-a uključuju 2'-fukozlaktoze (2′-FL), lakto-N-neotetraoza (LNnT), 3'-galaktosillaktoze (3′-GL) i difukozlaktoze (DFL).
Dok ljudsko majčino mlijeko jekomplet više od različitih 150 HMO strukture, samo 2′-fucosyllactose (2′-FL) i lakto-N-neotetraoza (LNnT) trenutno se proizvode na komercijalnoj razini i koriste se kao prehrambene aditiva u dojenačkoj formuli.
Oligosaharidi ljudskog mlijeka (HMO- i) poznati su po svom značaju u prehrani za bebe. Humano mlijeko oligosaharidi su jedinstvena vrsta hranjivih tvari, koje djeluju kao prebiotici, anti-ljepljivi antimikrobni lijekovi, i imunomodulatori unutar crijeva dojenčadi i znatno doprinose razvoju mozga. HMO-i se nalaze isključivo u majčinom mlijeku u ljudi; drugih sisavaca (npr. krava, koza, ovce, deva itd.) nemaju taj specifičan oblik oligosaharida.
Oligosaharidi ljudskog mlijeka su treća najzastupljenija kruta komponenta u ljudskom mlijeku, koja može biti prisutna u otopljenom ili emulgiranom ili suspendiranom obliku u vodi. Laktoza i masne kiseline su najzastupljenije krutine u ljudskom mlijeku. HMO-ovi su prisutni u koncentraciji od 0,35–0,88 unci (9,9–24,9 g)/ L. Poznato je približno 200 strukturno različitih oligosaharida ljudskog mlijeka. Dominantni oligosaharid u 80% svih žena iznosi 2′-fukozlaktoze, koja je prisutna u majčinom mlijeku u ljudi u koncentraciji od približno 2,5 g/l.
Budući da se HMO-i ne probavljaju, ne kalorically doprinose prehrani. Biti neprobavljiv ugljikohidrati, oni funkcioniraju kao prebiotici i selektivno fermentirani po poželjnim crijeva mikroflore, posebno bifidobacteria.
- promicanje razvoja dojenčadi
- važne su za razvoj mozga
- ima protuupalno i
- anti-ljepljive učinke u gastrointestinalnom traktu
- podržava imunološki sustav u odraslih
Na Ultrazvučni procesor UIP2000hdT povećava prijenos mase i aktivira tvornice stanica za veće prinose biosintetiziranih bioloških molekula kao što su
Biosinteza ljudskog mlijeka Oligosaharidi
Stanične tvornice i enzimski / kemo-enzimski sustavi su trenutne tehnologije koje se koriste za sintezu HMO-a. Za proizvodnju HMO-a na industrijskoj razini, fermentacija tvornica mikrobnih stanica, biokemijska sinteza i različite enzimske reakcije su izvedivi načini proizvodnje HMO-a. Zbog ekonomskih razloga, bio-sinteza putem mikrobnih stanica tvornice je trenutno jedina tehnika koja se koristi na razini industrijske proizvodnje HMO-a.
Fermentacija HMO-a pomoću mikrobnih stanica tvornice
E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis se obično koriste stanične tvornice koriste za bioprodukciju bioloških molekula kao što su HMO- i. Fermentacija je biokemijski proces pomoću mikroorganizama za pretvaranje podloge u ciljane biološke molekule. Mikrobne stanice tvornice koriste jednostavne šećere kao supstrat, koje pretvaraju u HMO-e. Budući da su jednostavni šećeri (npr. laktoza) obilna, jeftina podloga, to održava proces bio-sinteze troškovno učinkovitim.
Rast i biokonverzija stopa su uglavnom pod utjecajem masovnog prijenosa hranjivih tvari (supstrata) na mikroorganizme. Brzina prijenosa mase je glavni čimbenik koji utječe na sintezu proizvoda tijekom fermentacije. Ultrasonication je dobro poznat za promicanje prijenosa mase.
Tijekom fermentacije, uvjeti u bioreaktoru moraju se stalno pratiti i regulirati tako da stanice mogu rasti što je brže moguće kako bi se zatim proizvele ciljane biomolekule (npr. oligosaharidi kao što su HMO- i; inzulin; rekombinantni proteini). Teoretski, stvaranje proizvoda počinje čim kultura stanica počne rasti. Međutim, posebno u genetski modificiranim stanicama kao što su projektirani mikroorganizmi obično se kasnije inducira dodavanjem kemijske tvari u podlogu, što povećava ekspresiju ciljane biomolekule. Ultrazvučni bioreaktori (sono-bioreaktor) mogu se precizno kontrolirati i omogućiti specifičnu stimulaciju mikroba. To rezultira ubrzanom biosintezom i većim prinosima.
Ultrazvučna liza i ekstrakcija: Fermentacija složenih HMO-a može biti ograničena niskim fermentacijskim titerima i proizvodima koji ostaju unutarstanični. Ultrazvučna liza i ekstrakcija koriste se za oslobađanje unutarstaničnog materijala prije procesa pročišćavanja i down-streama.
Ultrazvučno promovirana fermentacija
Stopa rasta mikroba kao što su Escherichia coli, projektirana E.coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis može se ubrzati povećanjem brzine prijenosa mase i prožimanjem stanične zidne stanice primjenom kontrolirane niskofrekventne ultrasonikacije. Kao blaga, ne-termička tehnika obrade, ultrazvukcija primjenjuje čisto mehaničke sile u fermentacijsku juhu.
Akustična kavitacija: Princip rada ultrazvukom temelji se na akustičnoj kavitaciji. Ultrazvučna sonda (sonotrode) spaja niskofrekventne ultrazvučne valove u medij. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu stvarajući naizmjenične cikluse visokog tlaka (kompresija) / niskog tlaka (razrjeđivanje). Komprimiranjem i istezanjem tekućine u izmjeničnim ciklusima nastaju minuciozni vakuumski mjehurići. Ovi mali vakuumski mjehurići rastu tijekom nekoliko ciklusa dok ne dosegnu veličinu u kojoj ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku maksimalnog rasta, vakuumski mjehurić se nasilno urušava i stvara lokalno ekstremne uvjete, poznate kao fenomen kavitacije. U kavitacijskom "hot-spotu" mogu se uočiti diferencijali visokog tlaka i temperature te intenzivne sile smicanja s tekućim mlaznicama do 280 m/s. Ovim kavitacijskim učincima postiže se temeljit prijenos mase i sonoporacija (perforacija staničnih stijenki i staničnih membrana). Hranjive tvari supstrata plutaju u i u žive cijele stanice, tako da se tvornice stanica optimalno hrane i ubrzavaju rast kao i stope konverzije. Ultrazvučni bioreaktori su jednostavna, ali vrlo učinkovita strategija za obradu biomase u procesu biosinteze u jednom loncu.
Precizno kontrolirana, blaga sonication je dobro poznato da intenzivira fermentacijske procese.
Sonication poboljšava "produktivnost mnogih bioprocesa koji uključuju žive stanice putem poboljšanja unosa supstrata, poboljšana proizvodnja ili rast povećanjem stanične poroznosti, i potencijalno poboljšano oslobađanje komponenti stanica." (Naveena i sur. 2015.)
Pročitajte više o ultrazvuično potpomognutoj fermentaciji!
- povećava iskorištenje
- Ubrzana fermentacija
- Stimulacija specifična za ćeliju
- Poboljšana podloga unos
- Povećana stanična poroznost
- jednostavan za rad
- Sef
- Jednostavna Retro-Dolikuje
- Linearno mjerilo gore
- Batch ili InIine obrada
- Brzi povrat ulaganja
Naveena et al. (2015) utvrdio da ultrazvučno intenziviranje nudi nekoliko prednosti tijekom bioprocesa, uključujući niske operativne troškove u odnosu na druge mogućnosti liječenja za poboljšanje, jednostavnost rada i skromne zahtjeve snage.
The MultiSonoReactor MSR-4 je industrijski inline homogenizator pogodan za poboljšanu biosintezu humanog mlijeka oligosaharida (HMO).
Ultrazvučni fermentacijski reaktori visokih performansi
Fermentacijski procesi uključuju žive mikroorganizme kao što su bakterije ili kvasac, koji funkcioniraju kao stanične tvornice. Dok se sonication primjenjuje za promicanje prijenosa mase i povećanje mikroorganizama rast i stopa pretvorbe, ključno je kontrolirati ultrazvučni intenzitet upravo kako bi se izbjeglo uništavanje stanica tvornice.
Hielscher Ultrasonics je stručnjak za projektiranje, proizvodnju i distribuciju visokih performansi ultrasonicators, koji se može precizno kontrolirati i pratiti kako bi se osiguralo vrhunske fermentacije prinosa.
Kontrola procesa nije samo neophodna za visoke prinose i vrhunsku kvalitetu, već omogućuje ponavljanje i reprodukciju ishoda. Pogotovo kada ist dolazi do stimulacije stanica tvornice, stanični specifična prilagodba parametara ultrazvukom je neophodna za postizanje visokih prinosa i spriječiti razgradnju stanica. Dakle, svi digitalni modeli Hielscher ultrasonicators su opremljeni inteligentnim softverom, koji vam omogućuje da prilagodite, pratiti i revidirati parametre ultrazvukom. Ultrazvučni procesni parametri kao što su amplituda, temperatura, tlak, trajanje ultrazvukom, radni ciklusi i unos energije neophodni su za promicanje proizvodnje HMO-a fermentacijom.
Pametni softver Hielscher ultrasonicators automatski bilježi sve važne parametre procesa na integriranoj SD kartici. Automatsko bilježenje podataka procesa ultrazvukom temelj su za standardizaciju procesa i ponovljivost / ponovljivost, koje su potrebne za dobre proizvođačke prakse (GMP).
Ultrazvučni rektori za fermentaciju
Hielscher nudi ultrazvučne sonde različite veličine, duljine i geometrije, koje se mogu koristiti za serije, kao i kontinuirane tretmane protoka. Ultrazvučni reaktori, poznati i kao sono-bioreaktori, dostupni su za bilo koji volumen koji pokriva ultrazvučnu bioprocesuru iz malih laboratorijskih uzoraka na pilot i potpuno komercijalnu razinu proizvodnje.
Poznato je da je mjesto ultrazvučnog sonotrode u reakcijskoj posudi utječe na distribuciju kavitacije i mikro-streaming unutar medija. Sonotrode i ultrazvučni reaktor treba odabrati u skladu s volumenom obrade stanične juhe. Dok sonication može se izvesti u seriji, kao i u kontinuiranom načinu rada, za velike količine proizvodnje preporučuje se korištenje kontinuiranog protoka instalacije. Prolazeći kroz ultrazvučni protok stanica, sve ćelije medij dobiva točno istu izloženost ultrazvukom osiguravajući najučinkovitiji tretman. Hielscher Ultrasonics širok raspon ultrazvučnih sondi i reaktora stanica protoka omogućuje sastavljanje idealne ultrazvučne bioprocesing postava.
Hielscher Ultrasonics – Od laboratorija do pilota do proizvodnje
Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučne opreme nudi kompaktne ručne ultrazvučne homogenizatore za pripremu uzorka na klupa-top i pilot sustava, kao i snažne industrijske ultrazvučne jedinice koje lako obraditi kamiona po satu. Budući da je svestran i fleksibilan u montaži i montaži opcije, Hielscher ultrasonicators može se lako integrirati u sve vrste batch reaktora, fed-serije ili kontinuirani protok kroz postavljanje.
Razni pribor, kao i prilagođeni dijelovi omogućuju idealnu prilagodbu vašeg ultrazvučnog postava na vaše zahtjeve procesa.
Izgrađen za 24/7 rad pod punim opterećenjem i teškim uvjetima u zahtjevnim uvjetima, Hielscher ultrazvučni procesori su pouzdani i zahtijevaju samo nisku održavanje.
Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Batch Volumen | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 mL | 10 do 200 mL / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 mL / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l / min | UIP4000hdT |
| N.a. | 10 do 100 l / min | UIP16000 |
| N.a. | veći | grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Visoke snage ultrazvučni homogenizatori iz Laboratorija do Pilot i industrijski razmjera.
Književnost / Reference
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
Činjenice koje vrijedi znati
Biosinteza pomoću tvornica stanica
Tvornica mikrobnih stanica je metoda bioinženjeringa, koja koristi mikrobne stanice kao proizvodni pogon. Genetski inženjering mikroba, DNK mikroorganizama kao što su bakterije, kvasci, gljivice, stanice sisavaca ili alge se modificiraju pretvarajući mikrobe u tvornice stanica. Tvornice stanica koriste se za pretvaranje supstrata u vrijedne biološke molekule, koje se koriste npr. Različite strategije biosinteze na bazi tvornice stanica imaju za cilj proizvodnju izvornih metabolita, ekspresiju heterolognih biosintetskih putova ili ekspresiju proteina.
Tvornice stanica mogu se koristiti za sintezu izvornih metabolita, za izražavanje heterolognih biosintetskih putova ili za ekspresiju proteina.
Biosinteza izvornih metabolita
Izvorni metaboliti definiraju se kao biološke molekule, koje stanice koje se koriste kao tvornica stanica prirodno proizvode. Stanične tvornice proizvode ove biološke molekule ili unutarstanično ili izlučno tvar. Potonji se preferira jer olakšava odvajanje i pročišćavanje ciljanih spojeva. Primjeri za izvorne metabolite su aminokiseline i nukleinske kiseline, antibiotici, vitamini, enzimi, bioaktivni spojevi i proteini proizvedeni iz anaboličkih putova stanica.
Heterolog biosintetski putevi
Kada pokušavate proizvesti zanimljiv spoj, jedna od najvažnijih odluka je izbor proizvodnje u izvornom domaćinu, i optimizirati ovog domaćina, ili prijenos puta drugom poznatom domaćinu. Ako se izvorni domaćin može prilagoditi industrijskom procesu fermentacije, a pritom ne postoje rizici povezani sa zdravljem (npr. proizvodnja toksičnih po-proizvoda), to može biti preferirana strategija (kao što je bio slučaj npr. za penicilin). Međutim, u mnogim modernim slučajevima, potencijal korištenja industrijski preferirane tvornice stanica i povezanih procesa platformi izvan je težine prijenosa puta.
Ekspresija proteina
Ekspresija proteina može se postići homolognim i heterolognim načinima. U homolognom izrazu, gen koji je prirodno prisutan u organizmu je pretjerano izražen. Kroz ovu prekomjernu ekspresiju može se proizvesti veći prinos određene biološke molekule. Za heterolognu ekspresiju, određeni gen se prenosi u stanicu domaćina jer gen nije prisutan prirodno. Koristeći stanični inženjering i tehnologiju rekombinantne DNK, gen se umeće u DNK domaćina tako da stanica domaćina proizvodi (velike) količine proteina koje ne bi prirodno proizvela. Ekspresija proteina obavlja se u različitim domaćinima od bakterija, npr. Neuništi proteini su od velikog komercijalnog interesa, uključujući od skupnih enzima, složenih bio-lijekova, dijagnostike i istraživačkih reagensa. (cf. A.M. Davy et al. 2017.)