Az emberi tej oligoszacharidjainak bioszintetikus előállítása

Az emberi tej oligoszacharidjainak (HMO-k) fermentációval vagy enzimatikus reakciókkal történő bioszintézise összetett, erőforrásokat igénylő és gyakran alacsony hozamú folyamat. Az ultrahangos kezelés fokozza a szubsztrát és a sejtgyárak közötti anyagátadást, valamint serkenti a sejtek növekedését és anyagcseréjét. Ezáltal az ultrahangos kezelés intenzívebbé teszi a fermentációs és biokémiai folyamatokat, ami a HMO-k gyorsabb és hatékonyabb előállítását eredményezi.

Az emberi tej oligoszacharidjai

Az emberi tej oligoszacharidjai (HMO-k), más néven az emberi tej glikánjai, az oligoszacharidok csoportjába tartozó cukormolekulák. A HMO-k jelentős példái közé tartozik a 2’-fukozillaktóz (2′-FL), a lakto-N-neotetraóz (LNnT), a 3’-galaktozillaktóz (3′-GL) és a difukozillaktóz (DFL).
Bár az emberi anyatej több mint 150 különböző HMO-szerkezetet tartalmaz, jelenleg csak a 2′-fukozillaktózt (2′-FL) és a lakto-N-neotetraózt (LNnT) állítják elő kereskedelmi léptékben, és használják táplálkozási adalékanyagként csecsemőtápszerekben.
Az emberi tej oligoszacharidjai (HMO-k) a csecsemők táplálásában betöltött jelentős szerepükről ismertek. Az emberi tej oligoszacharidjai egyedülálló tápanyagok, amelyek a csecsemő bélrendszerében prebiotikumként, a megtapadást gátló antimikrobiális anyagként és immunmodulátorként hatnak, és jelentősen hozzájárulnak az agy fejlődéséhez. A HMO-k kizárólag az emberi anyatejben fordulnak elő; más emlősök teje (pl. tehén, kecske, juh, teve stb.) nem tartalmazza az oligoszacharidok ezen sajátos formáit.
Az emberi tej oligoszacharidjai az emberi tej harmadik legnagyobb mennyiségben jelen lévő szilárd összetevői, amelyek vízben oldott, emulgeált vagy szuszpendált formában is előfordulhatnak. Az emberi tejben a laktóz és a zsírsavak a legnagyobb mennyiségben jelen lévő szilárd anyagok. A HMO-k koncentrációja 0,35–0,88 uncia (9,9–24,9 g)/ L. Az emberi tej mintegy 200, szerkezetileg különböző oligoszacharidja ismert. A nők 80%-ánál a domináns oligoszacharid a 2′-fukozillaktóz, amely az emberi anyatejben körülbelül 2,5 g/ L koncentrációban van jelen.
Mivel a HMO-k nem emésztődnek meg, nem járulnak hozzá a táplálkozás kalóriabeviteléhez. Emészthetetlen szénhidrátokként prebiotikumként működnek, és a kedvező bélmikroflóra, különösen a bifidobaktériumok szelektíven fermentálják őket.

Az emberi tej oligoszacharidjainak bioszintézise

A sejtgyárak és az enzimatikus / kemoenzimatikus rendszerek a HMO-k szintéziséhez jelenleg alkalmazott technológiák. A HMO-k ipari léptékű előállításában a mikrobiális sejtgyárakkal végzett fermentáció, a biokémiai szintézis és a különböző enzimatikus reakciók a biológiai előállítás megvalósítható módszerei. Gazdasági okokból jelenleg a mikrobiális sejtgyárakkal végzett bioszintézis az egyetlen, a HMO-k ipari léptékű előállításában alkalmazott technika.

HMO-k előállítása fermentációval, mikrobiális sejtgyárak segítségével

Az E.coli, a Saccharomyces cerevisiae és a Lactococcus lactis gyakran alkalmazott sejtgyárak biológiai molekulák, például HMO-k biológiai előállításához. A fermentáció olyan biokémiai folyamat, amely mikroorganizmusok segítségével alakítja át a szubsztrátot a kívánt biológiai molekulákká. A mikrobiális sejtgyárak egyszerű cukrokat használnak szubsztrátként, amelyeket HMO-kká alakítanak. Mivel az egyszerű cukrok (pl. a laktóz) bőségesen rendelkezésre álló, olcsó szubsztrátok, ez költséghatékonnyá teszi a bioszintézis folyamatát.
A növekedés és a biokonverzió sebességét elsősorban a tápanyagok (szubsztrát) mikroorganizmusokhoz történő anyagátadása befolyásolja. Az anyagátadás sebessége az egyik fő tényező, amely befolyásolja a termék szintézisét a fermentáció során. Az ultrahangos kezelés közismerten elősegíti az anyagátadást.
A fermentáció során a bioreaktorban uralkodó körülményeket folyamatosan figyelemmel kell kísérni és szabályozni kell, hogy a sejtek a lehető leggyorsabban növekedhessenek, majd előállíthassák a kívánt biomolekulákat (pl. oligoszacharidokat, például HMO-kat; inzulint; rekombináns fehérjéket). Elméletileg a termékképződés akkor kezdődik, amikor a sejttenyészet növekedésnek indul. Különösen a genetikailag módosított sejtek, például a géntechnológiával módosított mikroorganizmusok esetében azonban ezt általában később indukálják egy olyan vegyi anyag szubsztráthoz adásával, amely fokozza a kívánt biomolekula expresszióját. Az ultrahangos bioreaktorok (szonobioreaktorok) pontosan szabályozhatók, és lehetővé teszik a mikrobák célzott stimulálását. Ez gyorsabb bioszintézist és nagyobb hozamot eredményez.
Ultrahangos lízis és extrakció: Az összetett HMO-k fermentációját az alacsony fermentációs titerek és a sejten belül maradó termékek korlátozhatják. Az ultrahangos lízist és extrakciót a sejten belüli anyagok felszabadítására használják a tisztítás és az azt követő feldolgozási folyamatok előtt.

Ultrahanggal elősegített fermentáció

Az olyan mikrobák növekedési sebessége, mint az Escherichia coli, a géntechnológiával módosított E.coli, a Saccharomyces cerevisiae és a Lactococcus lactis, szabályozott, alacsony frekvenciájú ultrahangos kezeléssel gyorsítható az anyagátadás sebességének és a sejtfal áteresztőképességének növelésével. Kíméletes, nem termikus feldolgozási technikaként az ultrahangos kezelés tisztán mechanikai erőket fejt ki a fermentlében.
Akusztikus kavitáció: Az ultrahangos kezelés működési elve az akusztikus kavitáción alapul. Az ultrahangos szonda (szonotróda) alacsony frekvenciájú ultrahanghullámokat csatol a közegbe. Az ultrahanghullámok a folyadékon áthaladva váltakozó nagy nyomású (összenyomódási) / kis nyomású (ritkulási) ciklusokat hoznak létre. A folyadék váltakozó ciklusokban történő összenyomása és megnyújtása apró vákuumbuborékokat hoz létre. Ezek a kis vákuumbuborékok több cikluson át növekednek, amíg olyan méretet nem érnek el, amelynél már nem képesek további energiát elnyelni. A maximális növekedés ezen pontján a vákuumbuborék hevesen összeomlik, és helyileg szélsőséges körülményeket hoz létre; ezt a jelenséget kavitációnak nevezzük. A kavitációs „forró pontban” nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségek, intenzív nyíróerők és akár 280m/sec sebességű folyadéksugarak figyelhetők meg. E kavitációs hatások révén alapos anyagátadás és szonoporáció (a sejtfalak és sejtmembránok perforációja) valósul meg. A szubsztrát tápanyagai az élő, egész sejtekhez és azok belsejébe szállítódnak, így a sejtgyárak optimális tápanyagellátást kapnak, és a növekedés, valamint az átalakítás sebessége is fokozódik. Az ultrahangos bioreaktorok egyszerű, ugyanakkor rendkívül hatékony megoldást jelentenek a biomassza egyetlen reakcióedényben végzett bioszintézis során történő feldolgozására.
A pontosan szabályozott, kíméletes ultrahangos kezelés közismerten intenzívebbé teszi a fermentációs folyamatokat.
Az ultrahangos kezelés javítja „számos, élő sejteket alkalmazó biológiai folyamat termelékenységét a szubsztrátfelvétel fokozásával, a sejtporozitás növelése révén fokozott termeléssel vagy növekedéssel, valamint a sejtalkotók potenciálisan fokozott felszabadításával.” (Naveena et al. 2015)
Tudjon meg többet az ultrahanggal segített fermentációról!

Naveena et al. (2015) megállapították, hogy az ultrahangos intenzifikálás számos előnnyel jár a biológiai feldolgozás során, többek között más, a folyamatot javító kezelési lehetőségekhez képest alacsony üzemeltetési költségekkel, egyszerű működtetéssel és mérsékelt teljesítményigénnyel.

Nagy teljesítményű ultrahangos fermentációs reaktorok

A fermentációs folyamatokban élő mikroorganizmusok, például baktériumok vagy élesztők vesznek részt, amelyek sejtgyárként működnek. Amikor az ultrahangos kezelést az anyagátadás elősegítésére, valamint a mikroorganizmusok növekedési és átalakítási sebességének fokozására alkalmazzák, alapvető fontosságú az ultrahang intenzitásának pontos szabályozása a sejtgyárak elpusztításának elkerülése érdekében.
A Hielscher Ultrasonics olyan nagy teljesítményű ultrahangos készülékek tervezésének, gyártásának és forgalmazásának specialistája, amelyek pontosan szabályozhatók és felügyelhetők a kiemelkedő fermentációs hozamok biztosítása érdekében.

A folyamatszabályozás nemcsak a nagy hozam és a kiemelkedő minőség szempontjából elengedhetetlen, hanem lehetővé teszi az eredmények megismétlését és reprodukálását is. Különösen a sejtgyárak stimulálásakor alapvető fontosságú az ultrahangos kezelés paramétereinek sejtspecifikus beállítása a nagy hozam eléréséhez és a sejtek károsodásának megelőzéséhez. Ezért a Hielscher ultrahangos készülékeinek minden digitális modellje intelligens szoftverrel rendelkezik, amely lehetővé teszi az ultrahangos kezelés paramétereinek beállítását, felügyeletét és módosítását. Az olyan ultrahangos folyamatparaméterek, mint az amplitúdó, a hőmérséklet, a nyomás, az ultrahangos kezelés időtartama, a működési ciklusok és az energiabevitel, alapvető fontosságúak a HMO-k fermentációval történő előállításának elősegítéséhez.
A Hielscher ultrahangos készülékeinek intelligens szoftvere automatikusan rögzíti az összes fontos folyamatparamétert a beépített SD-kártyán. Az ultrahangos kezelési folyamat adatainak automatikus rögzítése képezi a folyamat szabványosításának és reprodukálhatóságának / megismételhetőségének alapját, amelyet a helyes gyártási gyakorlat (GMP) megkövetel.

Ultrahangos reaktorok fermentációhoz

A Hielscher különböző méretű, hosszúságú és geometriájú ultrahangos szondákat kínál, amelyek szakaszos és folyamatos átfolyásos kezelésekhez egyaránt használhatók. Az ultrahangos reaktorok, más néven szonobioreaktorok, bármilyen térfogathoz elérhetők, és lefedik az ultrahangos biológiai feldolgozás teljes tartományát a kis laboratóriumi mintáktól a kísérleti üzemi és a teljes kereskedelmi termelési léptékig.
Jól ismert, hogy az ultrahangos szonotróda reakcióedényen belüli elhelyezkedése befolyásolja a kavitáció és a mikroáramlások eloszlását a közegben. A szonotródát és az ultrahangos reaktort a feldolgozandó sejtleves térfogatának megfelelően kell kiválasztani. Bár az ultrahangos kezelés szakaszos és folyamatos üzemmódban is végezhető, nagy termelési volumenek esetén folyamatos átfolyásos berendezés használata ajánlott. Az ultrahangos átfolyó cellán áthaladva a teljes sejtközeg pontosan ugyanolyan ultrahangos kezelésnek van kitéve, ami biztosítja a leghatékonyabb kezelést. A Hielscher Ultrasonics ultrahangos szondáinak és átfolyó cellás reaktorainak széles választéka lehetővé teszi az ideális ultrahangos biológiai feldolgozórendszer összeállítását.

Hielscher Ultrasonics – A laboratóriumtól a kísérleti üzemen át a termelésig

A Hielscher Ultrasonics az ultrahangos berendezések teljes választékát kínálja, a minta-előkészítéshez használható kompakt, kézi ultrahangos homogenizátoroktól az asztali és kísérleti üzemi rendszereken át a nagy teljesítményű ipari ultrahangos egységekig, amelyek óránként könnyedén feldolgoznak teherautónyi mennyiségeket. Sokoldalú és rugalmas telepítési és rögzítési lehetőségeiknek köszönhetően a Hielscher ultrahangos készülékei könnyen integrálhatók mindenféle szakaszos reaktorba, rátáplálásos szakaszos rendszerbe vagy folyamatos átfolyásos berendezésbe.
A különféle tartozékok és az egyedi alkatrészek lehetővé teszik ultrahangos rendszerének ideális hozzáigazítását a folyamat követelményeihez.
A teljes terhelés melletti, nagy igénybevételű, napi 24 órás, heti 7 napos, nehéz körülmények közötti üzemelésre tervezett Hielscher ultrahangos processzorok megbízhatók, és csak kevés karbantartást igényelnek.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: