Emberi tej oligoszacharidok bioszintetikus előállítása

Az emberi tej oligoszacharidok (HMO-k) fermentációs vagy enzimatikus reakciók útján történő bioszintézise összetett, fogyasztó és gyakran alacsony hozamú folyamat. Az ultrahangos kezelés növeli a szubsztrát és a sejtgyárak közötti tömegátadást, és serkenti a sejtek növekedését és anyagcseréjét. Ezáltal az ultrahangos kezelés fokozza a fermentációs és biokémiai folyamatokat, ami a HMO-k gyorsított és hatékonyabb termelését eredményezi.

anyatej-oligoszacharidok

Az emberi tej oligoszacharidok (HMO-k), más néven emberi tej glikánok, cukormolekulák, amelyek az oligoszacharidok csoportjának részét képezik. A HMO-k kiemelkedő példái közé tartozik a 2'-fukozil-laktóz (2′-FL), lakto-N-neotetraóz (LNnT), 3'-galaktozil-llaktóz (3′-GL) és a difukozil-laktóz (DFL).
Míg az emberi anyatej több mint 150 HMO szerkezetből áll, jelenleg csak a 2′-fukozil-laktózt (2′-FL) és a lakto-N-neotetraózt (LNnT) állítják elő kereskedelmi szinten, és használják tápérték-adalékanyagként az anyatej-helyettesítő tápszerekben.
Az emberi tej oligoszacharidjai (HMO-k) ismertek a baba táplálkozásában betöltött jelentőségükről. Az emberi tej oligoszacharidjai egyedülálló típusú tápanyagok, amelyek prebiotikumokként, tapadásgátló antimikrobiális szerként és immunmodulátorként működnek a csecsemő bélrendszerében, és jelentősen hozzájárulnak az agy fejlődéséhez. A HMO-k kizárólag az emberi anyatejben találhatók meg; Más emlősök teje (pl. tehén-, kecske-, juh-, teve- stb.) nem rendelkezik az oligoszacharidok e sajátos formájával.
Az emberi tej oligoszacharidjai az anyatej harmadik leggyakoribb szilárd komponense, amely vízben oldott, emulgeált vagy szuszpendált formában is jelen lehet. A laktóz és a zsírsavak az emberi tejben leggyakrabban előforduló szilárd anyagok. A HMO-k 0,35–0,88 uncia (9,9–24,9 g)/ l koncentrációban vannak jelen. Körülbelül 200 szerkezetileg különböző emberi tej oligoszacharid ismert. A domináns oligoszacharid az összes nő 80% -ában 2′-fukozil-laktóz, amely körülbelül 2,5 g/l koncentrációban van jelen az anyatejben.
Mivel a HMO-k nem emészthetők, kalóriatartalmilag nem járulnak hozzá a táplálkozáshoz. Mivel emészthetetlen szénhidrátok, prebiotikumként működnek, és szelektíven fermentálják őket a kívánatos bél mikroflóra, különösen a bifidobaktériumok.

Az emberi tej oligoszacharidok bioszintézise

A sejtgyárak és az enzimatikus / kemoenzimatikus rendszerek a HMO-k szintéziséhez használt jelenlegi technológiák. Az ipari méretű HMO-gyártáshoz a mikrobiális sejtgyárak fermentációja, a biokémiai szintézis és a különböző enzimatikus reakciók a HMO biotermelés megvalósítható módjai. Gazdasági okokból a mikrobiális sejtgyárakon keresztül történő bioszintézis jelenleg az egyetlen technika, amelyet a HMO-k ipari termelési szintjén használnak.

HMO-k fermentálása mikrobiális sejtgyárak segítségével

Az E.coli, a Saccharomyces cerevisiae és a Lactococcus lactis általánosan használt sejtgyárak, amelyeket biológiai molekulák, például HMO-k bio-előállítására használnak. A fermentáció olyan biokémiai folyamat, amely mikroorganizmusokat használ a szubsztrát célzott biológiai molekulákká történő átalakítására. A mikrobiális sejtgyárak egyszerű cukrokat használnak szubsztrátként, amelyeket HMO-kká alakítanak. Mivel az egyszerű cukrok (pl. laktóz) bőséges, olcsó szubsztrátumok, ez költséghatékonyan biztosítja a bioszintézis folyamatát.
A növekedést és a biokonverziós sebességet elsősorban a tápanyagok (szubsztrát) mikroorganizmusokba történő tömeges átvitele befolyásolja. A tömegátadási sebesség egy fő tényező, amely befolyásolja a termék szintézisét az erjedés során. Az ultrahangos kezelés jól ismert, hogy elősegíti a tömeges transzfert.
Az erjedés során a bioreaktorban uralkodó körülményeket folyamatosan figyelemmel kell kísérni és szabályozni kell, hogy a sejtek a lehető leggyorsabban növekedhessenek, majd a célzott biomolekulák (pl. oligoszacharidok, például HMO-k; inzulin; rekombináns fehérjék) előállítása érdekében. Elméletileg a termékképződés akkor kezdődik, amikor a sejtkultúra növekedni kezd. Azonban különösen a genetikailag módosított sejtekben, például a módosított mikroorganizmusokban általában később indukálják egy kémiai anyag hozzáadásával a szubsztrátumhoz, ami felborítja a célzott biomolekula expresszióját. Az ultrahangos bioreaktorok (sono-bioreaktor) pontosan szabályozhatók, és lehetővé teszik a mikrobák specifikus stimulációját. Ez gyorsított bioszintézist és magasabb hozamot eredményez.
Ultrahangos lízis és extrakció: A komplex HMO-k fermentációját korlátozhatják az alacsony fermentációs titerek és az intracellulárisan maradó termékek. Az ultrahangos lízist és extrakciót intracelluláris anyag felszabadítására használják a tisztítás és a lefelé irányuló folyamatok előtt.

Ultrahanggal támogatott fermentáció

A mikrobák, például az Escherichia coli, a mesterséges E.coli, a Saccharomyces cerevisiae és a Lactococcus lactis növekedési üteme felgyorsítható a tömegátviteli sebesség és a sejtfal permeabilitásának növelésével szabályozott alacsony frekvenciájú ultrahangos kezelés alkalmazásával. Enyhe, nem termikus feldolgozási technikaként az ultrahangos kezelés tisztán mechanikai erőket alkalmaz a fermentációs húslevesbe.
Akusztikus kavitáció: Az ultrahangos kezelés működési elve akusztikus kavitáción alapul. Az ultrahangos szonda (sonotrode) alacsony frekvenciájú ultrahanghullámokat kapcsol a közegbe. Az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, váltakozó nagynyomású (kompressziós) / alacsony nyomású (ritka) ciklusokat hozva létre. A folyadék váltakozó ciklusokban történő összenyomásával és nyújtásával apró vákuumbuborékok keletkeznek. Ezek a kis vákuumbuborékok több cikluson keresztül növekednek, amíg el nem érik azt a méretet, hogy nem képesek további energiát elnyelni. A maximális növekedés ezen pontján a vákuumbuborék hevesen összeomlik, és lokálisan szélsőséges körülményeket generál, amelyet kavitáció jelenségének neveznek. A kavitációs "hot-spotban" nagy nyomás- és hőmérsékletkülönbségek, valamint intenzív nyíróerők figyelhetők meg akár 280 m / sec folyadéksugarakkal. Ezekkel a kavitációs hatásokkal alapos tömegátadás és szonoporáció (a sejtfalak és sejtmembránok perforációja) érhető el. A szubsztrátum tápanyagai az élő teljes sejtekbe úsztatnak, így a sejtgyárak optimálisan táplálkoznak, és a növekedés, valamint az átalakítási sebesség felgyorsul. Az ultrahangos bioreaktorok egyszerű, mégis rendkívül hatékony stratégia a biomassza feldolgozására egyedényes bioszintézis folyamatban.
A pontosan ellenőrzött, enyhe szonikálás jól ismert, hogy fokozza a fermentációs folyamatokat.
A szonikálás javítja "az élő sejteket tartalmazó számos biofolyamat termelékenységét a szubsztrát felvételének fokozásával, fokozott termeléssel vagy növekedéssel a sejt porozitásának növelésével és a sejtkomponensek potenciálisan fokozott felszabadulásával." (Naveena et al. 2015)
További információ ultrahanggal segített fermentáció!

Naveena et al. (2015) megállapította, hogy az ultrahangos intenzifikáció számos előnnyel jár a biofeldolgozás során, beleértve az alacsony működési költségeket a többi javító kezelési lehetőséghez képest, az egyszerű működést és a szerény teljesítményigényt.

Nagy teljesítményű ultrahangos fermentációs reaktorok

A fermentációs folyamatok élő mikroorganizmusokat, például baktériumokat vagy élesztőt foglalnak magukban, amelyek sejtgyárakként működnek. Míg az ultrahangos kezelést alkalmazzák a tömegátadás elősegítésére és a mikroorganizmus növekedési és konverziós sebességének növelésére, döntő fontosságú az ultrahangos intenzitás szabályozása pontosan annak érdekében, hogy elkerüljék a sejtgyárak pusztulását.
A Hielscher Ultrasonics szakember a nagy teljesítményű ultrahangos készülékek tervezésében, gyártásában és forgalmazásában, amelyek pontosan szabályozhatók és felügyelhetők a kiváló fermentációs hozamok biztosítása érdekében.

A folyamatszabályozás nemcsak a magas hozamok és a kiváló minőség érdekében elengedhetetlen, hanem lehetővé teszi az eredmények megismétlését és reprodukálását. Különösen akkor, ha a sejtgyárak stimulálásáról van szó, az ultrahangos paraméterek sejtspecifikus adaptációja elengedhetetlen a magas hozamok eléréséhez és a sejtkárosodás megelőzéséhez. Ezért a Hielscher ultrasonicators összes digitális modellje intelligens szoftverrel van felszerelve, amely lehetővé teszi az ultrahangos paraméterek beállítását, figyelemmel kísérését és felülvizsgálatát. Az ultrahangos folyamatparaméterek, például az amplitúdó, a hőmérséklet, a nyomás, az ultrahangos időtartam, a munkaciklusok és az energiabevitel elengedhetetlenek a HMO termelés erjesztéssel történő előmozdításához.
A Hielscher ultrahangos készülékek intelligens szoftvere automatikusan rögzíti az összes fontos folyamatparamétert az integrált SD-kártyán. Az ultrahangos folyamat automatikus adatrögzítése a folyamat szabványosításának és reprodukálhatóságának / ismételhetőségének alapja, amelyek szükségesek a jó gyártási gyakorlathoz (GMP).

Ultrahangos rektorok fermentációhoz

A Hielscher különböző méretű, hosszúságú és geometriájú ultrahangos szondákat kínál, amelyek kötegelt és folyamatos átfolyásos kezelésekhez használhatók. Ultrahangos reaktorok, más néven sono-bioreaktorok, bármilyen mennyiségre rendelkezésre állnak, amely lefedi az ultrahangos biofeldolgozást a kis laboratóriumi mintáktól a kísérleti és a teljesen kereskedelmi termelési szintig.
Jól ismert, hogy az ultrahangos sonotrode elhelyezkedése a reakcióedényben befolyásolja a kavitáció és a mikro-streaming eloszlását a közegben. A sonotrode-ot és az ultrahangos reaktort a sejtleves feldolgozási térfogatának megfelelően kell kiválasztani. Míg az szonikálás tételenként és folyamatos üzemmódban is elvégezhető, nagy termelési mennyiségek esetén folyamatos áramlású telepítés használata ajánlott. Az ultrahangos áramlási cellán áthaladva minden sejtközeg pontosan ugyanolyan expozíciót kap az ultrahangos kezelésnek, biztosítva a leghatékonyabb kezelést. Hielscher Ultrasonics széles választéka ultrahangos szondák és áramlási cellás reaktorok lehetővé teszi az ideális ultrahangos biofeldolgozási beállítás összeállítását.

Hielscher Ultrasonics – A laboratóriumtól a kísérleti projekten át a gyártásig

A Hielscher Ultrasonics lefedi az ultrahangos berendezések teljes spektrumát, kompakt kézi ultrahangos homogenizátorokat kínálva a minta előkészítéséhez a padon és a kísérleti rendszerekhez, valamint erőteljes ipari ultrahangos egységekhez, amelyek könnyen feldolgozhatják a teherautókat óránként. Mivel sokoldalú és rugalmas a telepítési és szerelési lehetőségekben, a Hielscher ultrasonicators könnyen integrálható mindenféle szakaszos reaktorba, táplált tételbe vagy folyamatos átfolyási beállításba.
Különböző tartozékok, valamint testreszabott alkatrészek lehetővé teszik az ultrahangos beállítás ideális adaptálását a folyamat követelményeihez.
A Hielscher ultrahangos processzorok megbízhatóak és csak alacsony karbantartást igényelnek.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: