Produksi Biosintetik Oligosakarida ASI

Biosintesis oligosakarida ASI (HMO) melalui fermentasi atau reaksi enzimatik merupakan proses yang kompleks, memerlukan banyak sumber daya, dan sering kali memberikan hasil rendah. Ultrasonikasi meningkatkan perpindahan massa antara substrat dan pabrik sel serta merangsang pertumbuhan dan metabolisme sel. Dengan demikian, sonikasi mengintensifkan fermentasi dan proses biokimia sehingga produksi HMO menjadi lebih cepat dan lebih efisien.

Oligosakarida ASI

Oligosakarida ASI (HMO), yang juga dikenal sebagai glikan ASI, merupakan molekul gula yang termasuk dalam kelompok oligosakarida. Contoh utama HMO meliputi 2’-fukosillaktosa (2′-FL), lakto-N-neotetraosa (LNnT), 3’-galaktosillaktosa (3′-GL), dan difukosillaktosa (DFL).
Meskipun ASI mengandung lebih dari 150 struktur HMO yang berbeda, saat ini hanya 2′-fukosillaktosa (2′-FL) dan lakto-N-neotetraosa (LNnT) yang diproduksi secara komersial dan digunakan sebagai bahan tambahan nutrisi dalam susu formula bayi.
Oligosakarida ASI (HMO) dikenal karena peran pentingnya dalam nutrisi bayi. Oligosakarida ASI merupakan jenis zat gizi unik yang berfungsi sebagai prebiotik, antimikroba antiadhesi, dan imunomodulator dalam usus bayi serta berkontribusi besar terhadap perkembangan otak. HMO hanya ditemukan dalam ASI; susu mamalia lain (misalnya sapi, kambing, domba, unta, dan sebagainya) tidak memiliki bentuk oligosakarida spesifik ini.
Oligosakarida ASI merupakan komponen padat terbanyak ketiga dalam ASI, yang dapat berada dalam bentuk terlarut, teremulsi, atau tersuspensi dalam air. Laktosa dan asam lemak merupakan zat padat yang paling banyak ditemukan dalam ASI. HMO terdapat pada konsentrasi 0,35–0,88 ounces (9,9–24,9 g)/ L. Sekitar 200 oligosakarida ASI dengan struktur berbeda telah diketahui. Oligosakarida dominan pada 80% dari seluruh perempuan adalah 2′-fukosillaktosa, yang terdapat dalam ASI pada konsentrasi sekitar 2,5 g/ L.
Karena HMO tidak dicerna, HMO tidak menyumbangkan kalori dalam nutrisi. Sebagai karbohidrat yang tidak dapat dicerna, HMO berfungsi sebagai prebiotik dan difermentasi secara selektif oleh mikroflora usus yang diinginkan, terutama bifidobakteri.

Biosintesis Oligosakarida ASI

Pabrik sel dan sistem enzimatik / kemoenzimatik merupakan teknologi yang saat ini digunakan untuk sintesis HMO. Untuk produksi HMO pada skala industri, fermentasi pabrik sel mikroba, sintesis biokimia, dan berbagai reaksi enzimatik merupakan cara yang layak untuk bioproduksi HMO. Karena alasan ekonomi, biosintesis melalui pabrik sel mikroba saat ini merupakan satu-satunya teknik yang digunakan untuk produksi HMO pada skala industri.

Fermentasi HMO menggunakan Pabrik Sel Mikroba

E.coli, Saccharomyces cerevisiae, dan Lactococcus lactis merupakan pabrik sel yang umum digunakan untuk bioproduksi molekul biologis seperti HMO. Fermentasi adalah proses biokimia yang menggunakan mikroorganisme untuk mengubah substrat menjadi molekul biologis yang ditargetkan. Pabrik sel mikroba menggunakan gula sederhana sebagai substrat, yang diubah menjadi HMO. Karena gula sederhana (misalnya laktosa) merupakan substrat yang melimpah dan murah, proses biosintesis tetap efisien dari segi biaya.
Laju pertumbuhan dan biokonversi terutama dipengaruhi oleh perpindahan massa zat gizi (substrat) ke mikroorganisme. Laju perpindahan massa merupakan faktor utama yang memengaruhi sintesis produk selama fermentasi. Ultrasonikasi dikenal luas dapat meningkatkan perpindahan massa.
Selama fermentasi, kondisi dalam bioreaktor harus terus dipantau dan diatur agar sel dapat tumbuh secepat mungkin untuk kemudian menghasilkan biomolekul yang ditargetkan (misalnya oligosakarida seperti HMO; insulin; protein rekombinan). Secara teoretis, pembentukan produk dimulai segera setelah kultur sel mulai tumbuh. Namun, khususnya pada sel yang dimodifikasi secara genetik seperti mikroorganisme hasil rekayasa, pembentukan produk biasanya diinduksi kemudian dengan menambahkan zat kimia ke substrat yang meningkatkan ekspresi biomolekul yang ditargetkan. Bioreaktor ultrasonik (sono-bioreaktor) dapat dikendalikan secara presisi dan memungkinkan stimulasi mikroba secara spesifik. Hal ini menghasilkan biosintesis yang lebih cepat dan hasil yang lebih tinggi.
Lisis dan ekstraksi ultrasonik: Fermentasi HMO kompleks mungkin dibatasi oleh titer fermentasi yang rendah dan produk yang tetap berada di dalam sel. Lisis dan ekstraksi ultrasonik digunakan untuk melepaskan bahan intraseluler sebelum pemurnian dan proses hilir.

Fermentasi yang Ditingkatkan dengan Ultrasonik

Laju pertumbuhan mikroba seperti Escherichia coli, E.coli hasil rekayasa, Saccharomyces cerevisiae, dan Lactococcus lactis dapat dipercepat dengan meningkatkan laju perpindahan massa dan permeabilitas dinding sel melalui penerapan ultrasonikasi frekuensi rendah yang terkendali. Sebagai teknik pemrosesan ringan dan nontermal, ultrasonikasi menerapkan gaya yang sepenuhnya mekanis ke dalam kaldu fermentasi.
Kavitasi Akustik: Prinsip kerja sonikasi didasarkan pada kavitasi akustik. Probe ultrasonik (sonotrode) mengkopel gelombang ultrasonik frekuensi rendah ke dalam medium. Gelombang ultrasonik merambat melalui cairan dan menciptakan siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaksi) secara bergantian. Dengan memampatkan dan meregangkan cairan dalam siklus bergantian, terbentuk gelembung vakum yang sangat kecil. Gelembung vakum kecil ini membesar selama beberapa siklus hingga mencapai ukuran saat gelembung tidak dapat lagi menyerap energi. Pada titik pertumbuhan maksimum ini, gelembung vakum runtuh dengan dahsyat dan menghasilkan kondisi ekstrem secara lokal, yang dikenal sebagai fenomena kavitasi. Pada “titik panas” kavitasi, dapat diamati perbedaan tekanan dan suhu yang tinggi serta gaya geser yang kuat dengan semburan cairan hingga 280m/sec. Efek kavitasi ini menghasilkan perpindahan massa yang menyeluruh dan sonoporasi (pembentukan lubang pada dinding sel dan membran sel). Zat gizi dalam substrat dialirkan menuju dan ke dalam sel hidup yang utuh, sehingga pabrik sel memperoleh nutrisi secara optimal dan laju pertumbuhan serta konversi dipercepat. Bioreaktor ultrasonik merupakan strategi yang sederhana, tetapi sangat efektif, untuk memproses biomassa dalam proses biosintesis satu wadah.
Sonikasi ringan yang dikendalikan secara presisi dikenal luas dapat mengintensifkan proses fermentasi.
Sonikasi meningkatkan “produktivitas banyak bioproses yang melibatkan sel hidup melalui peningkatan penyerapan substrat, peningkatan produksi atau pertumbuhan dengan meningkatkan porositas sel, dan potensi peningkatan pelepasan komponen sel.” (Naveena et al. 2015)
Baca selengkapnya tentang fermentasi berbantuan ultrasonik!

Naveena et al. (2015) menemukan bahwa intensifikasi ultrasonik menawarkan beberapa keunggulan selama biopemrosesan, termasuk biaya operasional yang rendah dibandingkan dengan pilihan perlakuan peningkatan lainnya, pengoperasian yang sederhana, dan kebutuhan daya yang relatif rendah.

Reaktor Fermentasi Ultrasonik Berkinerja Tinggi

Proses fermentasi melibatkan mikroorganisme hidup seperti bakteri atau khamir, yang berfungsi sebagai pabrik sel. Saat sonikasi diterapkan untuk meningkatkan perpindahan massa serta laju pertumbuhan dan konversi mikroorganisme, intensitas ultrasonik harus dikendalikan secara presisi untuk menghindari kerusakan pabrik sel.
Hielscher Ultrasonics merupakan spesialis dalam perancangan, pembuatan, dan distribusi ultrasonikator berkinerja tinggi, yang dapat dikendalikan dan dipantau secara presisi untuk memastikan hasil fermentasi yang unggul.

Pengendalian proses tidak hanya penting untuk hasil yang tinggi dan kualitas unggul, tetapi juga memungkinkan hasil diulang dan direproduksi. Khususnya dalam stimulasi pabrik sel, penyesuaian parameter sonikasi yang spesifik untuk sel sangat penting untuk mencapai hasil tinggi dan mencegah degradasi sel. Oleh karena itu, semua model digital ultrasonikator Hielscher dilengkapi dengan perangkat lunak cerdas yang memungkinkan Anda menyesuaikan, memantau, dan merevisi parameter sonikasi. Parameter proses ultrasonik seperti amplitudo, suhu, tekanan, durasi sonikasi, siklus kerja, dan masukan energi sangat penting untuk meningkatkan produksi HMO melalui fermentasi.
Perangkat lunak cerdas ultrasonikator Hielscher secara otomatis merekam semua parameter proses penting pada kartu SD terintegrasi. Perekaman data otomatis proses sonikasi merupakan dasar standardisasi proses dan reproduktibilitas / keterulangan, yang diperlukan untuk Praktik Manufaktur yang Baik (GMP).

Reaktor Ultrasonik untuk Fermentasi

Hielscher menawarkan probe ultrasonik dengan berbagai ukuran, panjang, dan geometri, yang dapat digunakan untuk perlakuan batch maupun aliran kontinu. Reaktor ultrasonik, yang juga dikenal sebagai sono-bioreaktor, tersedia untuk segala volume, mencakup biopemrosesan ultrasonik dari sampel laboratorium kecil hingga skala percontohan dan produksi komersial penuh.
Telah diketahui secara luas bahwa lokasi sonotrode ultrasonik di dalam bejana reaksi memengaruhi distribusi kavitasi dan aliran mikro dalam medium. Sonotrode dan reaktor ultrasonik harus dipilih sesuai dengan volume pemrosesan kaldu sel. Meskipun sonikasi dapat dilakukan dalam mode batch maupun kontinu, penggunaan instalasi aliran kontinu direkomendasikan untuk volume produksi yang tinggi. Saat melewati sel alir ultrasonik, seluruh medium sel mendapatkan paparan sonikasi yang persis sama, sehingga memastikan perlakuan yang paling efektif. Beragam probe ultrasonik dan reaktor sel alir dari Hielscher Ultrasonics memungkinkan perakitan sistem biopemrosesan ultrasonik yang ideal.

Hielscher Ultrasonics – Dari Laboratorium ke Skala Percontohan hingga Produksi

Hielscher Ultrasonics mencakup seluruh spektrum peralatan ultrasonik, dengan menawarkan homogenizer ultrasonik genggam yang ringkas untuk preparasi sampel, sistem meja dan skala percontohan, serta unit ultrasonik industri berdaya tinggi yang dengan mudah memproses muatan setara beberapa truk per jam. Dengan pilihan instalasi dan pemasangan yang serbaguna dan fleksibel, ultrasonikator Hielscher dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam segala jenis reaktor batch, fed-batch, atau sistem aliran kontinu.
Berbagai aksesori serta komponen yang dibuat sesuai kebutuhan memungkinkan penyesuaian sistem ultrasonik Anda secara ideal dengan persyaratan proses Anda.
Dirancang untuk beroperasi 24/7 pada beban penuh dan tugas berat dalam kondisi yang menuntut, prosesor ultrasonik Hielscher andal dan hanya memerlukan sedikit perawatan.
Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: