Produksi Biosintetik Oligosakarida Susu Manusia

Biosintesis oligosakarida susu manusia (HMO) melalui fermentasi atau reaksi enzimatik adalah proses yang kompleks, memakan dan seringkali menghasilkan rendah. Ultrasonikasi meningkatkan perpindahan massa antara substrat dan pabrik sel dan merangsang pertumbuhan sel dan metabolisme. Dengan demikian, sonikasi mengintensifkan proses fermentasi dan bio-kimia yang menghasilkan produksi HMO yang dipercepat dan lebih efisien.

oligosakarida susu manusia

Oligosakarida susu manusia (HMO), juga dikenal sebagai glikan susu manusia, adalah molekul gula, yang merupakan bagian dari gugus oligosakarida. Contoh menonjol dari HMO termasuk 2'-fucosyllactose (2′-FL), lakto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galaktosillaktosa (3′-GL), dan difucosyllactose (DFL).
Sementara ASI manusia terdiri dari lebih dari 150 struktur HMO yang berbeda, hanya 2′-fucosyllactose (2′-FL) dan lacto-N-neotetraose (LNnT) yang saat ini diproduksi pada tingkat komersial dan digunakan sebagai aditif nutrisi dalam susu formula.
Oligosakarida ASI (HMO) dikenal karena signifikansinya dalam nutrisi bayi. Oligosakarida ASI adalah jenis nutrisi yang unik, yang bertindak sebagai prebiotik, antimikroba anti-perekat, dan imunomodulator di dalam usus bayi dan berkontribusi secara substansial pada perkembangan otak. HMO secara eksklusif ditemukan dalam ASI manusia; Susu mamalia lain (misalnya sapi, kambing, domba, unta, dll.) tidak memiliki bentuk oligosakarida khusus ini.
Oligosakarida ASI adalah komponen padat paling melimpah ketiga dalam ASI MANUSIA, yang dapat hadir baik dalam bentuk terlarut atau diemulsi atau tersuspensi dalam air. Laktosa dan asam lemak adalah padatan yang paling melimpah yang ditemukan dalam ASI MANUSIA. HMO hadir dalam konsentrasi 0,35–0,88 ons (9,9–24,9 g)/L. Sekitar 200 oligosakarida ASI yang berbeda secara struktural diketahui. Oligosakarida dominan pada 80% dari semua wanita adalah 2′-fucosyllactose, yang terdapat dalam ASI manusia dengan konsentrasi sekitar 2,5 g/ L.
Karena HMO tidak dicerna, mereka tidak berkontribusi secara kalori pada nutrisi. Menjadi karbohidrat yang tidak dapat dicerna, mereka berfungsi sebagai prebiotik dan difermentasi secara selektif oleh mikroflora usus yang diinginkan, terutama bifidobacteria.

Biosintesis Oligosakarida Susu Manusia

Pabrik sel dan sistem enzimatik / kemo-enzimatik adalah teknologi terkini yang digunakan untuk sintesis HMO. Untuk produksi HMO pada skala industri, fermentasi pabrik sel mikroba, sintesis bio-kimia, dan reaksi enzimatik yang berbeda adalah cara bio-produksi HMO yang layak. Karena alasan ekonomi, bio-sintesis melalui pabrik sel mikroba saat ini merupakan satu-satunya teknik yang digunakan pada tingkat produksi industri HMO.

Fermentasi HMO menggunakan Pabrik Sel Mikroba

E., Saccharomyces cerevisiae dan Lactococcus lactis adalah pabrik sel yang umum digunakan untuk bioproduksi molekul biologis seperti HMO. Fermentasi adalah proses biokimia menggunakan mikroorganisme untuk mengubah substrat menjadi molekul biologis yang ditargetkan. Pabrik sel mikroba menggunakan gula sederhana sebagai substrat, yang mereka ubah menjadi HMO. Karena gula sederhana (misalnya laktosa) adalah substrat yang berlimpah dan murah, ini membuat proses bio-sintesis hemat biaya.
Tingkat pertumbuhan dan biokonversi terutama dipengaruhi oleh transfer massa nutrisi (substrat) ke mikroorganisme. Laju perpindahan massa merupakan faktor utama yang mempengaruhi sintesis produk selama fermentasi. Ultrasonication terkenal untuk mempromosikan transfer massa.
Selama fermentasi, kondisi dalam bioreaktor harus terus dipantau dan diatur sehingga sel dapat tumbuh secepat mungkin untuk kemudian menghasilkan biomolekul yang ditargetkan (misalnya oligosakarida seperti HMO; insulin; protein rekombinan). Secara teoritis, pembentukan produk dimulai segera setelah kultur sel mulai tumbuh. Namun, terutama pada sel yang dimodifikasi secara genetik seperti mikroorganisme yang direkayasa, biasanya diinduksi kemudian dengan menambahkan zat kimia ke substrat, yang mengatur ekspresi biomolekul yang ditargetkan. Bioreaktor ultrasonik (sono-bioreactor) dapat dikontrol dengan tepat dan memungkinkan stimulasi spesifik mikroba. Ini menghasilkan biosintesis yang dipercepat dan hasil yang lebih tinggi.
Lisis dan ekstraksi ultrasonik: Fermentasi HMO kompleks mungkin dibatasi oleh titer fermentasi rendah dan produk yang tersisa intraseluler. Lisis dan ekstraksi ultrasonik digunakan untuk melepaskan bahan intraseluler sebelum proses pemurnian dan hilir.

Fermentasi yang Dipromosikan Secara Ultrasonik

Laju pertumbuhan mikroba seperti Escherichia, E.yang direkayasa, Saccharomyces cerevisiae dan Lactococcus lactis dapat dipercepat dengan meningkatkan laju perpindahan massa dan permeabilitas dinding sel dengan menerapkan ultrasonikasi frekuensi rendah yang terkontrol. Sebagai teknik pemrosesan non-termal yang ringan, ultrasonikasi menerapkan gaya mekanis murni ke dalam kaldu fermentasi.
Kavitasi Akustik: Prinsip kerja sonikasi didasarkan pada kavitasi akustik. Probe ultrasonik (sonotrode) memasangkan gelombang ultrasound frekuensi rendah ke dalam medium. Gelombang ultrasound bergerak melalui cairan menciptakan siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaction) yang bergantian. Dengan mengompresi dan meregangkan cairan dalam siklus bergantian, gelembung vakum kecil muncul. Gelembung vakum kecil ini tumbuh selama beberapa siklus sampai mencapai ukuran di mana mereka tidak dapat menyerap energi lebih lanjut. Pada titik pertumbuhan maksimum ini, gelembung vakum meledak dengan keras dan menghasilkan kondisi ekstrem lokal, yang dikenal sebagai fenomena kavitasi. Di "titik panas" kavitasi, perbedaan tekanan dan suhu tinggi serta gaya geser yang intens dengan jet cair hingga 280m/detik dapat diamati. Dengan efek kavitasi ini, perpindahan massa dan sonoporasi menyeluruh (perforasi dinding sel dan membran sel) tercapai. Nutrisi substrat mengapung ke dan ke seluruh sel hidup, sehingga pabrik sel dipelihara secara optimal dan pertumbuhan serta tingkat konversi dipercepat. Bioreaktor ultrasonik adalah strategi sederhana namun sangat efektif untuk memproses biomassa dalam proses biosintesis satu pot.
Sonikasi ringan yang dikontrol dengan tepat dikenal untuk 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 berpotensi meningkatkan pelepasan komponen sel." (Naveena et al. 2015)
Baca lebih lanjut tentang fermentasi berbantuan ultrasonik!

Naveena et al. (2015) menemukan bahwa intensifikasi ultrasonik menawarkan beberapa keuntungan selama bioproses, termasuk biaya pengoperasian yang rendah dibandingkan dengan opsi perawatan peningkatan lainnya, kesederhanaan pengoperasian, dan kebutuhan daya yang sederhana.

Reaktor Fermentasi Ultrasonik Kinerja Tinggi

Proses fermentasi melibatkan mikroorganisme hidup seperti bakteri atau ragi, yang berfungsi sebagai pabrik sel. Sementara sonikasi diterapkan untuk mempromosikan transfer massa dan meningkatkan pertumbuhan dan tingkat konversi mikroorganisme, sangat penting untuk mengontrol intensitas ultrasonik secara tepat untuk menghindari kehancuran pabrik sel.
Hielscher Ultrasonics adalah spesialis dalam merancang, memproduksi, dan mendistribusikan ultrasonicator berkinerja tinggi, yang dapat dikontrol dan dipantau secara tepat untuk memastikan hasil fermentasi yang unggul.

Kontrol proses tidak hanya penting untuk hasil tinggi dan kualitas unggul, tetapi juga memungkinkan untuk mengulangi dan mereproduksi hasil. Terutama ketika datang ke stimulasi pabrik sel, adaptasi spesifik sel dari parameter sonikasi sangat penting untuk mencapai hasil tinggi dan untuk mencegah degradasi sel. Oleh karena itu, semua model digital ultrasonicators Hielscher dilengkapi dengan perangkat lunak cerdas, yang memungkinkan Anda untuk menyesuaikan, memantau, dan merevisi parameter sonikasi. Parameter proses ultrasonik seperti amplitudo, suhu, tekanan, durasi sonikasi, siklus kerja, dan input energi sangat penting untuk mempromosikan produksi HMO melalui fermentasi.
Perangkat lunak pintar ultrasonicators Hielscher merekam secara otomatis semua parameter proses penting pada kartu SD terintegrasi. Perekaman data otomatis dari proses sonikasi adalah dasar untuk standarisasi proses dan reproduktifitas / pengulangan, yang diperlukan untuk Good Manufacturing Practices (GMP).

Rektor Ultrasonik untuk Fermentasi

Hielscher menawarkan probe ultrasonik dengan berbagai ukuran, panjang dan geometri, yang dapat digunakan untuk batch serta perawatan flow-through kontinu. Reaktor ultrasonik, juga dikenal sebagai sono-bioreaktor, tersedia untuk volume apa pun yang mencakup biopemrosesan ultrasonik dari sampel laboratorium kecil hingga tingkat produksi percontohan dan komersial penuh.
Diketahui bahwa lokasi sonotrode ultrasonik dalam bejana reaksi mempengaruhi distribusi kavitasi dan aliran mikro di dalam medium. Reaktor sonotrode dan ultrasonik harus dipilih sesuai dengan volume pemrosesan kaldu sel. Sementara sonikasi dapat dilakukan dalam batch maupun dalam mode kontinu, untuk volume produksi yang tinggi, penggunaan instalasi aliran kontinu dianjurkan. Melewati sel aliran ultrasonik, semua media sel mendapat paparan yang persis sama terhadap sonikasi memastikan pengobatan yang paling efektif. Hielscher Ultrasonics berbagai macam probe ultrasonik dan reaktor sel aliran memungkinkan untuk merakit pengaturan biopemrosesan ultrasonik yang ideal.

Hielscher Ultrasonics – Dari Lab ke Pilot hingga Produksi

Hielscher Ultrasonics mencakup spektrum penuh peralatan ultrasonik yang menawarkan homogeniser ultrasonik genggam yang ringkas untuk persiapan sampel ke sistem bench-top dan pilot serta unit ultrasonik industri yang kuat yang dengan mudah memproses muatan truk per jam. Menjadi serbaguna dan fleksibel dalam opsi pemasangan dan pemasangan, ultrasonicators Hielscher dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam semua jenis reaktor batch, fed-batch atau pengaturan flow-through terus menerus.
Berbagai aksesori serta suku cadang yang disesuaikan memungkinkan adaptasi ideal dari pengaturan ultrasonik Anda dengan kebutuhan proses Anda.
Dibangun untuk operasi 24/7 di bawah beban penuh dan tugas berat dalam kondisi yang menuntut, prosesor ultrasonik Hielscher dapat diandalkan dan hanya membutuhkan perawatan yang rendah.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: