Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդների կենսասինթետիկ արտադրություն

Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդների (HMOs) կենսասինթեզը ֆերմենտացման կամ ֆերմենտային ռեակցիաների միջոցով բարդ, սպառող և հաճախ ցածր եկամտաբեր գործընթաց է: Ultrasonication-ը մեծացնում է զանգվածի փոխանցումը սուբստրատի և բջջային գործարանների միջև և խթանում է բջիջների աճը և նյութափոխանակությունը: Այսպիսով, sonication-ը ուժեղացնում է խմորումը և կենսաքիմիական գործընթացները, ինչը հանգեցնում է HMO-ների արագացված և արդյունավետ արտադրության:

մարդու կաթի օլիգոսաքարիդներ

Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդները (HMOs), որոնք նաև հայտնի են որպես մարդու կաթի գլիկաններ, շաքարի մոլեկուլներ են, որոնք մտնում են օլիգոսաքարիդների խմբի մեջ: HMO-ների նշանավոր օրինակները ներառում են 2'-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galactosyllactose (3′-GL) և դիֆուկոզիլակտոզա (DFL):
Թեև մարդու կրծքի կաթը բաղկացած է ավելի քան 150 տարբեր HMO կառուցվածքներից, միայն 2'-ֆուկոզիլակտոզա (2'-FL) և լակտո-N-նեոտետրաոզա (LNnT) ներկայումս արտադրվում են առևտրային մակարդակով և օգտագործվում են որպես սննդային հավելումներ նորածինների խառնուրդում:
Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդները (HMOs) հայտնի են իրենց նշանակությամբ մանկական սննդի մեջ: Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդները սնուցիչների եզակի տեսակ են, որոնք գործում են որպես նախաբիոտիկներ, հակակպչուն հակամանրէային և իմունոմոդուլատորներ նորածնի աղիքներում և էապես նպաստում են ուղեղի զարգացմանը: HMO-ները բացառապես հայտնաբերված են մարդու կրծքի կաթում. Կաթնասունների մյուս կաթերը (օր.՝ կովի, այծի, ոչխարի, ուղտի և այլն) չունեն օլիգոսաքարիդների այս հատուկ ձևերը:
Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդները մարդու կաթի երրորդ ամենաառատ պինդ բաղադրիչն են, որոնք կարող են առկա լինել ջրի մեջ լուծված կամ էմուլսացված կամ կասեցված տեսքով: Կաթնաշաքարն ու ճարպաթթուները մարդու կաթում հայտնաբերված ամենաառատ պինդ նյութերն են: HMO-ները առկա են 0,35–0,88 ունցիա (9,9–24,9 գ)/լ կոնցենտրացիաներում։ Հայտնի է մոտ 200 կառուցվածքով տարբեր մարդկային կաթի օլիգոսաքարիդ։ Բոլոր կանանց 80%-ի մոտ գերիշխող օլիգոսաքարիդը 2 է′- ֆուկոզիլակտոզա, որը առկա է մարդու կրծքի կաթում մոտավորապես 2,5 գ/լ կոնցենտրացիայով:
Քանի որ HMO-ները չեն մարսվում, նրանք կալորիականորեն չեն նպաստում սնուցմանը: Լինելով անմարսելի ածխաջրեր, դրանք գործում են որպես նախաբիոտիկներ և ընտրովի խմորվում են աղիների ցանկալի միկրոֆլորայի, հատկապես բիֆիդոբակտերիաների կողմից:

Մարդու կաթի օլիգոսաքարիդների կենսասինթեզը

Բջջային գործարանները և ֆերմենտային/քիմիաֆերմենտային համակարգերը ժամանակակից տեխնոլոգիաներ են, որոնք օգտագործվում են HMO-ների սինթեզի համար: Արդյունաբերական մասշտաբով HMO-ի արտադրության համար միկրոբային բջիջների գործարանների խմորումը, կենսաքիմիական սինթեզը և տարբեր ֆերմենտային ռեակցիաները HMO-ի կենսաարտադրության հնարավոր եղանակներն են: Տնտեսական նկատառումներից ելնելով, մանրէաբանական բջիջների գործարանների միջոցով կենսասինթեզը ներկայումս միակ մեթոդն է, որն օգտագործվում է HMO-ների արդյունաբերական արտադրության մակարդակում:

HMO-ների խմորում մանրէաբանական բջիջների գործարանների միջոցով

E.coli-ն, Saccharomyces cerevisiae-ն և Lactococcus lactis-ը սովորաբար օգտագործվում են բջջային գործարաններ, որոնք օգտագործվում են կենսաբանական մոլեկուլների կենսաարտադրության համար, ինչպիսիք են HMO-ները: Խմորումը կենսաքիմիական գործընթաց է, որն օգտագործվում է միկրոօրգանիզմների միջոցով՝ սուբստրատը նպատակային կենսաբանական մոլեկուլների վերածելու համար: Մանրէաբանական բջիջների գործարանները որպես սուբստրատ օգտագործում են պարզ շաքարներ, որոնք նրանք վերածում են HMO-ների: Քանի որ պարզ շաքարները (օրինակ՝ կաթնաշաքարը) առատ, էժան ենթաշերտ են, դա ապահովում է կենսասինթեզի գործընթացը ծախսարդյունավետ:
Աճի և կենսափոխակերպման արագության վրա հիմնականում ազդում է սննդանյութերի (սուբստրատի) զանգվածային փոխանցումը միկրոօրգանիզմներին: Զանգվածի փոխանցման արագությունը հիմնական գործոնն է, որն ազդում է ֆերմենտացման ընթացքում արտադրանքի սինթեզի վրա: Ultrasonication-ը լավ հայտնի է զանգվածային փոխանցման խթանման համար:
Ֆերմենտացման ընթացքում բիոռեակտորում պայմանները պետք է մշտապես մոնիտորինգի ենթարկվեն և կարգավորվեն, որպեսզի բջիջները հնարավորինս արագ աճեն, որպեսզի այնուհետև արտադրեն թիրախային կենսամոլեկուլներ (օրինակ՝ օլիգոսաքարիդներ, ինչպիսիք են HMOs, ինսուլինը, ռեկոմբինանտ սպիտակուցները): Տեսականորեն, արտադրանքի ձևավորումը սկսվում է հենց բջիջների կուլտուրան սկսում է աճել: Այնուամենայնիվ, հատկապես գենետիկորեն ձևափոխված բջիջներում, ինչպիսիք են ինժեներական միկրոօրգանիզմները, այն սովորաբար առաջանում է ավելի ուշ՝ սուբստրատին քիմիական նյութ ավելացնելով, որը վերկարգավորում է թիրախավորված բիոմոլեկուլի արտահայտությունը: Ուլտրաձայնային բիոռեակտորները (սոնո-բիոռեակտոր) կարող են ճշգրիտ կառավարվել և թույլ են տալիս մանրէների հատուկ խթանում: Սա հանգեցնում է արագացված կենսասինթեզի և ավելի բարձր եկամտաբերության:
Ուլտրաձայնային լիզացիա և արդյունահանում. բարդ HMO-ների խմորումը կարող է սահմանափակվել խմորման ցածր տիտրերով և ներբջջային մնացյալ արտադրանքներով: Ուլտրաձայնային լուծույթը և արդյունահանումը օգտագործվում է ներբջջային նյութի ազատման համար՝ նախքան մաքրումը և ներքևի ընթացքը:

Ուլտրաձայնային խթանում խմորում

Մանրէների աճի տեմպերը, ինչպիսիք են Escherichia coli-ն, ինժեներական E.coli-ն, Saccharomyces cerevisiae-ն և Lactococcus lactis-ը, կարող են արագացվել՝ ավելացնելով զանգվածի փոխանցման արագությունը և բջջային պատի թափանցելիությունը՝ կիրառելով վերահսկվող ցածր հաճախականության ուլտրաձայնային հետազոտություն: Որպես մեղմ, ոչ ջերմային մշակման տեխնիկա, ուլտրաձայնայինացումը զուտ մեխանիկական ուժեր է կիրառում խմորման արգանակի մեջ:
Ակուստիկ կավիտացիա. ձայնային կավիտացիայի աշխատանքի սկզբունքը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի վրա: Ուլտրաձայնային զոնդը (sonotrode) ցածր հաճախականությամբ ուլտրաձայնային ալիքները միացնում է միջին: Ուլտրաձայնային ալիքները շարժվում են հեղուկի միջով` ստեղծելով փոփոխվող բարձր ճնշման (սեղմում) / ցածր ճնշման (հազվադեպ) ցիկլեր: Հեղուկը հերթափոխով սեղմելով և ձգելով՝ առաջանում են րոպեական վակուումային փուչիկներ։ Այս փոքրիկ վակուումային փուչիկները աճում են մի քանի ցիկլերի ընթացքում, մինչև հասնեն այնպիսի չափի, որով նրանք չեն կարող այլ էներգիա կլանել: Առավելագույն աճի այս կետում վակուումային փուչիկը կատաղի պայթում է և առաջացնում է տեղական ծայրահեղ պայմաններ, որոնք հայտնի են որպես կավիտացիայի երևույթ: Կավիտացիոն «թեժ կետում» նկատվում են բարձր ճնշման և ջերմաստիճանի տարբերություններ և ինտենսիվ ճեղքման ուժեր մինչև 280 մ/վրկ հեղուկ շիթերով: Այս կավիտացիոն էֆեկտների շնորհիվ ձեռք է բերվում զանգվածի մանրակրկիտ փոխանցում և սոնոպորացիա (բջջային պատերի և բջջային թաղանթների պերֆորացիա): Ենթաշերտի սնուցիչները լողում են կենդանի ամբողջ բջիջների մեջ, այնպես որ բջջային գործարանները օպտիմալ կերպով սնվում են, և աճը, ինչպես նաև փոխակերպման արագությունը արագանում է: Ուլտրաձայնային բիոռեակտորները պարզ, բայց շատ արդյունավետ ռազմավարություն են կենսազանգվածը մեկ կաթսայի կենսասինթեզի գործընթացում մշակելու համար:
Ճշգրիտ վերահսկվող, մեղմ ձայնային ախտահանումը հայտնի է, որ ուժեղացնում է խմորման գործընթացները:
Sonication-ը բարելավում է «բազմաթիվ կենսագործընթացների արտադրողականությունը, որոնք ներառում են կենդանի բջիջներ՝ սուբստրատի կլանման ուժեղացման, ուժեղացված արտադրության կամ աճի միջոցով՝ բջիջների ծակոտկենությունը մեծացնելու և բջիջների բաղադրիչների հնարավոր ուժեղացված թողարկման միջոցով»: (Naveena et al. 2015)
Կարդացեք ավելին ուլտրաձայնային օգնությամբ խմորման մասին:

Naveena et al. (2015) պարզել է, որ ուլտրաձայնային ինտենսիվացումն առաջարկում է մի քանի առավելություն բիոմշակման ժամանակ, ներառյալ ցածր գործառնական ծախսերը՝ համեմատած այլ ընդլայնող բուժման տարբերակների, շահագործման պարզության և էներգիայի համեստ պահանջների հետ:

Բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային խմորման ռեակտորներ

Ֆերմենտացման գործընթացները ներառում են կենդանի միկրոօրգանիզմներ, ինչպիսիք են բակտերիաները կամ խմորիչը, որոնք գործում են որպես բջջային գործարաններ: Մինչդեռ ձայնագրությունը կիրառվում է զանգվածային փոխանցման խթանման և միկրոօրգանիզմների աճի և փոխակերպման արագության բարձրացման համար, կարևոր է ուլտրաձայնային ինտենսիվությունը վերահսկել հենց այնպես, որպեսզի խուսափենք բջջային գործարանների ոչնչացումից:
Hielscher Ultrasonics-ը մասնագետ է նախագծման, արտադրության և բաշխման բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային սարքերի մեջ, որոնք կարող են ճշգրիտ վերահսկվել և վերահսկվել՝ ապահովելու ֆերմենտացման բարձր եկամտաբերություն:

Գործընթացի վերահսկումը ոչ միայն կարևոր է բարձր եկամտաբերության և բարձր որակի համար, այլև հնարավորություն է տալիս կրկնել և վերարտադրել արդյունքները: Հատկապես, երբ խոսքը վերաբերում է բջջային գործարանների խթանմանը, բջիջների հատուկ հարմարվողականությունը ձայնային արտանետման պարամետրերի համար կարևոր է բարձր բերքատվություն ստանալու և բջիջների քայքայումը կանխելու համար: Հետևաբար, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերի բոլոր թվային մոդելները հագեցած են խելացի ծրագրաշարով, որը թույլ է տալիս կարգավորել, վերահսկել և վերանայել ձայնային ազդանշանի պարամետրերը: Ուլտրաձայնային գործընթացի պարամետրերը, ինչպիսիք են ամպլիտուդը, ջերմաստիճանը, ճնշումը, հնչյունավորման տեւողությունը, աշխատանքային ցիկլերը և էներգիայի ներդրումը, կարևոր են ֆերմենտացման միջոցով HMO արտադրությունը խթանելու համար:
Hielscher ultrasonicators-ի խելացի ծրագրաշարը ավտոմատ կերպով գրանցում է գործընթացի բոլոր կարևոր պարամետրերը ինտեգրված SD-քարտի վրա: Ձայնային գործընթացի տվյալների ավտոմատ գրանցումը գործընթացի ստանդարտացման և վերարտադրելիության/կրկնելիության հիմքն է, որոնք պահանջվում են լավ արտադրական պրակտիկաների համար (GMP):

Ուլտրաձայնային ռեկտորներ խմորման համար

Hielscher-ն առաջարկում է տարբեր չափերի, երկարության և երկրաչափությունների ուլտրաձայնային զոնդեր, որոնք կարող են օգտագործվել խմբաքանակի, ինչպես նաև շարունակական հոսքի բուժման համար: Ուլտրաձայնային ռեակտորները, որոնք նաև հայտնի են որպես սոնո-բիոռեակտորներ, հասանելի են ցանկացած ծավալի համար, որը ներառում է ուլտրաձայնային բիոմշակումը փոքր լաբորատոր նմուշներից մինչև փորձնական և լիովին առևտրային արտադրության մակարդակ:
Հայտնի է, որ ռեակցիայի անոթում ուլտրաձայնային սոնոտրոդի գտնվելու վայրը ազդում է միջավայրում կավիտացիայի և միկրո հոսքի բաշխման վրա: Sonotrode-ը և ուլտրաձայնային ռեակտորը պետք է ընտրվեն բջջային արգանակի մշակման ծավալին համապատասխան: Թեև ձայնային ախտահանումը կարող է իրականացվել ինչպես խմբաքանակով, այնպես էլ շարունակական ռեժիմով, արտադրության մեծ ծավալների համար խորհուրդ է տրվում օգտագործել շարունակական հոսքի տեղադրում: Անցնելով ուլտրաձայնային հոսքի բջիջի միջով, բոլոր բջջային միջավայրը ստանում է ճիշտ նույն ազդեցությունը sonication-ի վրա՝ ապահովելով ամենաարդյունավետ բուժումը: Hielscher Ultrasonics-ի ուլտրաձայնային զոնդերի և հոսքային բջջային ռեակտորների լայն տեսականի թույլ է տալիս հավաքել ուլտրաձայնային բիոմշակման իդեալական կարգավորում:

Hielscher Ultrasonics – Լաբորատորիայից մինչև փորձնական մինչև արտադրություն

Hielscher Ultrasonics-ն ընդգրկում է ուլտրաձայնային սարքավորումների ողջ սպեկտրը, որն առաջարկում է կոմպակտ ձեռքի ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ նստարանային և փորձնական համակարգերին նմուշների պատրաստման համար, ինչպես նաև հզոր արդյունաբերական ուլտրաձայնային միավորներ, որոնք հեշտությամբ մշակում են բեռնատար բեռները ժամում: Լինելով բազմակողմանի և ճկուն տեղադրման և մոնտաժման տարբերակներում՝ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը կարող են հեշտությամբ ինտեգրվել բոլոր տեսակի խմբաքանակային ռեակտորների, սնուցվող խմբաքանակների կամ շարունակական հոսքի կարգավորումների մեջ:
Տարբեր աքսեսուարները, ինչպես նաև հարմարեցված մասերը թույլ են տալիս ձեր ուլտրաձայնային սարքի իդեալական հարմարեցումը ձեր գործընթացի պահանջներին:
Հիելշեր ուլտրաձայնային պրոցեսորները, որոնք կառուցված են 24/7 ռեժիմով, լրիվ ծանրաբեռնվածության և ծանր պարտականությունների դեպքում, հուսալի են և պահանջում են միայն ցածր սպասարկում:
Ստորև բերված աղյուսակը ցույց է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորությունը.