Produksi Biosintesis Oligosakarida Susu Manusia
Biosintesis oligosakarida susu manusia (hmos) melalui reaksi fermentasi atau enzimatik adalah proses yang kompleks, memakan dan sering menghasilkan rendah. Ultrasonication meningkatkan perpindahan massa antara substrat dan sel pabrik merangsang pertumbuhan sel dan metabolisme. Dengan demikian, sonikasi mengintensifkan proses fermentasi dan bio-kimia sehingga menghasilkan produksi HMOs yang dipercepat dan lebih efisien.
Oligosaccharides susu manusia
Oligosakarida susu manusia (hmos), juga dikenal sebagai manusia glycans susu, adalah molekul gula, yang merupakan bagian dari kelompok oligosakarida. Contoh yang menonjol dari HMOs termasuk 2 '-fucosyllaktosa (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3 '-galaktosyllaktosa (3′-GL), dan difucosyllaktosa (DFL).
Sementara air susu manusia terdiri dari lebih dari 150 HMO struktur yang berbeda, hanya 2 ′-fucosyllaktosa (2 ′-FL) dan lacto-N-neotetraose (LNnT) saat ini diproduksi pada tingkat komersial dan digunakan sebagai aditif gizi dalam susu formula.
Oligosakarida susu manusia (hmos) dikenal karena signifikansi mereka dalam gizi bayi. Oligosakarida susu manusia adalah jenis nutrisi yang unik, yang bertindak sebagai Prebiotik, antimikrobials anti-perekat, dan imunomodulator dalam usus bayi dan berkontribusi secara substansial untuk perkembangan otak. HMOs secara eksklusif ditemukan dalam air susu manusia; susu mamalia lainnya (misalnya sapi, kambing, domba, unta dll) tidak memiliki bentuk tertentu oligosakarida.
Oligosakarida susu manusia adalah komponen padat ketiga yang paling melimpah dalam susu manusia, yang dapat hadir baik dalam bentuk terlarut atau diemulsi atau ditangguhkan dalam air. Laktosa dan asam lemak adalah padatan paling melimpah yang ditemukan dalam susu manusia. HMOs yang hadir dalam konsentrasi 0,35 – 0,88 ons (9,9 – 24.9 g)/L. sekitar 200 struktural oligosakarida susu manusia dikenal. Oligosaccharide dominan di 80% dari semua wanita adalah 2′-fucosyllaktosa, yang hadir dalam air susu ibu pada konsentrasi sekitar 2,5 g/L.
Karena hmos tidak dicerna, mereka tidak kalori berkontribusi terhadap gizi. Menjadi karbohidrat dicerna, mereka berfungsi sebagai Prebiotik dan selektif difermentasi oleh microflora usus diinginkan, terutama bifidobacteria.
- mempromosikan perkembangan bayi
- penting bagi perkembangan otak
- memiliki anti-inflamasi dan
- anti-perekat efek di saluran Gastro-intestinal
- mendukung sistem kekebalan tubuh pada orang dewasa
Seperti yang ditunjukkan dalam gambar Ultrasonik prosesor UIP2000hdT meningkatkan perpindahan massa dan mengaktifkan pabrik sel untuk hasil yang lebih tinggi dari molekul biologis biosintesis seperti HMOs
Biosintesis oligosakarida susu manusia
Pabrik sel dan enzimatik/Chemo-enzimatik sistem teknologi saat ini digunakan untuk sintesis HMOs. Untuk produksi HMO pada skala industri, fermentasi pabrik sel mikroba, sintesis bio-kimia, dan reaksi enzimatik yang berbeda adalah cara yang layak HMO Bio-produksi. Karena alasan ekonomi, bio-sintesis melalui sel mikroba pabrik saat ini satu-satunya teknik yang digunakan pada tingkat produksi industri HMOs.
Fermentasi HMOs menggunakan pabrik sel mikroba
E. Koli, Saccharomyces Cerevisiae dan Lakaktokokus lactis umumnya digunakan pabrik sel yang digunakan untuk Bio-produksi molekul biologis seperti HMOs. Fermentasi adalah proses biokimia menggunakan mikro-organisme untuk mengubah substrat menjadi molekul biologis yang ditargetkan. Pabrik sel mikroba menggunakan gula sederhana sebagai substrat, yang mereka dikonversi menjadi HMOs. Karena gula sederhana (misalnya laktosa) adalah substrat yang melimpah dan murah, ini membuat proses bio-sintesis menjadi hemat biaya.
Pertumbuhan dan tingkat biokonversi terutama dipengaruhi oleh perpindahan massa nutrisi (substrat) pada mikroorganisme. Laju transfer massa adalah faktor utama yang mempengaruhi sintesis produk selama fermentasi. Ultrasonication dikenal untuk mempromosikan transfer massa.
Selama fermentasi, kondisi dalam bioreaktor harus terus dipantau dan diatur sehingga sel-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 budaya sel mulai tumbuh. Namun terutama dalam sel-sel yang dimodifikasi secara genetik seperti mikroorganisme rekayasa biasanya disebabkan kemudian dengan menambahkan zat kimia ke substrat, yang upregulates ekspresi biomolekul yang ditargetkan. Bioreaktor ultrasonik (sono-bioreaktor) dapat dikontrol dengan tepat dan memungkinkan stimulasi spesifik mikroba. Hal ini mengakibatkan biosynthesis dipercepat dan hasil yang lebih tinggi.
Lisis ultrasonik dan ekstraksi: Fermentasi HMO kompleks mungkin dibatasi oleh titer fermentasi rendah dan produk yang tersisa intraseluler. Lisis ultrasonik dan ekstraksi digunakan untuk melepaskan bahan intraseluler sebelum pemurnian dan proses down-stream.
Ultrasonically dipromosikan fermentasi
Tingkat pertumbuhan mikroba seperti Escherichia, direkayasa E.coli, Saccharomyces cerevisiae dan Lactococcus lactis dapat dipercepat dengan meningkatkan tingkat transfer massa dan permeabilitas dinding sel dengan menerapkan ultrasonication frekuensi rendah dikendalikan. Sebagai teknik pengolahan ringan, non-termal, ultrasonication berlaku murni kekuatan mekanik ke dalam kaldu fermentasi.
Kavitasi Akustik: Prinsip kerja sonikasi didasarkan pada kavitasi akustik. Probe ultrasonik (sonotrode) pasangan gelombang ultrasound frekuensi rendah ke dalam medium. Gelombang ultrasound bergerak melalui cairan yang menciptakan siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaction) yang bergantian. Dengan mengompresi dan meregangkan cairan dalam siklus bergantian, gelembung vakum menit muncul. Gelembung vakum kecil ini tumbuh selama beberapa siklus sampai mereka 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. Dalam "hot-spot" kavitasi, perbedaan tekanan dan suhu tinggi dan gaya geser intens dengan jet cair hingga 280m / detik dapat diamati. Dengan efek kavitasi ini, transfer massa menyeluruh dan sonoporasi (perforasi dinding sel dan membran sel) tercapai. Nutrisi substrat melayang ke dan ke seluruh sel hidup, sehingga pabrik-pabrik sel 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.
Sebuah sonikasi yang tepat dikontrol dan ringan dikenal untuk mengintensifkan proses fermentasi.
Sonikasi meningkatkan "produktivitas dari 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 ultrasonically-assisted!
- hasil yang meningkat
- Akselerasi fermentasi
- Stimulasi spesifik sel
- Penyerapan substrat yang disempurnakan
- Peningkatan porositas sel
- mudah dioperasikan
- Aman
- Sederhana retro-Fitting
- skala-up linear
- Batch atau InIine pengolahan
- cepat RoI
Naveena et al. (2015) menemukan bahwa intensifikasi ultrasonik menawarkan beberapa keuntungan selama Bioprocessing, termasuk biaya operasi yang rendah dibandingkan dengan pilihan pengobatan meningkatkan lainnya, kesederhanaan operasi dan persyaratan daya yang sederhana.
The MultiSonoReactor MSR-4 adalah homogenizer inline industri yang cocok untuk biosintesis yang ditingkatkan dari Oligosakarida Susu Manusia (HMO).
Reaktor fermentasi ultrasonik berkinerja 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 mikroorganisme dan tingkat konversi, sangat penting untuk mengontrol intensitas ultrasonik tepat untuk menghindari penghancuran pabrik sel.
Hielscher Ultrasonics adalah spesialis dalam merancang, manufaktur dan mendistribusikan ultrasonicators kinerja tinggi, yang dapat dikontrol dengan tepat dan dipantau untuk memastikan hasil fermentasi unggul.
Kontrol proses tidak hanya penting untuk hasil yang tinggi dan kualitas unggul, tetapi memungkinkan untuk mengulang dan mereproduksi hasilnya. Terutama ketika IST datang ke stimulasi dari pabrik sel, adaptasi sel-spesifik dari parameter sonication sangat penting untuk mencapai hasil yang 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 tugas, dan masukan energi sangat penting untuk mempromosikan produksi HMO melalui fermentasi.
Perangkat lunak cerdas Hielscher ultrasonicators merekam secara otomatis semua parameter proses penting pada SD-Card terpadu. Perekaman data otomatis dari proses sonikasi adalah fondasi untuk standarisasi proses dan reproduktifitas/pengulangan, yang diperlukan untuk Good Manufacturing Practices (GMP).
Ultrasonic Rektors untuk fermentasi
Hielscher menawarkan probe ultrasonik dengan berbagai ukuran, panjang dan geometri, yang dapat digunakan untuk batch serta perawatan aliran-melalui terus menerus. Reaktor ultrasonik, juga dikenal sebagai sono-bioreaktor, tersedia untuk setiap volume yang mencakup bioprocessing ultrasonik dari sampel laboratorium kecil untuk pilot dan tingkat produksi sepenuhnya komersial.
Hal ini juga diketahui bahwa lokasi ultrasonik sonotrode di bejana reaksi mempengaruhi distribusi kavitasi dan mikro-streaming dalam medium. Sonotrode dan reaktor ultrasonik harus dipilih sesuai dengan volume pengolahan kaldu sel. Sementara sonikasi dapat dilakukan dalam batch serta dalam mode kontinu, untuk volume produksi yang tinggi penggunaan instalasi aliran kontinu dianjurkan. Melewatkan melalui sel aliran ultrasonik, semua media sel mendapatkan eksposur yang sama persis dengan sonikasi memastikan pengobatan yang paling efektif. Hielscher Ultrasonics berbagai luas probe ultrasonik dan Flow Cell reaktor memungkinkan untuk merakit pengaturan Bioprocessing ultrasonik yang ideal.
Hielscher Ultrasonics – Dari Lab ke pilot untuk produksi
Hielscher Ultrasonics mencakup spektrum penuh peralatan ultrasonik menawarkan kompak tangan-diadakan homogenisers ultrasonik untuk persiapan sampel ke Bench-Top dan sistem percontohan serta unit ultrasonik industri yang kuat yang dengan mudah memproses truk per jam. Menjadi serbaguna dan fleksibel dalam pilihan pemasangan dan pemasangan, ultrasonicators Hielscher dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam semua jenis reaktor batch, Fed-batch atau setup Flow-through kontinyu.
Berbagai aksesoris serta bagian yang disesuaikan memungkinkan adaptasi yang ideal dari setup ultrasonik Anda untuk kebutuhan proses Anda.
Dibangun untuk 24/7 operasi di bawah beban penuh dan tugas berat dalam kondisi menuntut, prosesor ultrasonik Hielscher dapat diandalkan dan hanya memerlukan perawatan yang rendah.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Homogenizers ultrasonik berdaya tinggi dari laboratorium hingga pilot dan Industri .
Literatur/referensi
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Biosintesis menggunakan pabrik sel
Sebuah pabrik sel mikroba adalah metode bioengineering, yang menggunakan sel-sel mikroba sebagai fasilitas produksi. Dengan mikroba rekayasa genetika, DNA mikroorganisme seperti bakteri, ragi, jamur, sel mamalia, atau ganggang dimodifikasi mengubah mikroba menjadi pabrik sel. Pabrik sel digunakan untuk mengubah substrat menjadi molekul biologis yang berharga, yang digunakan misalnya dalam produksi makanan, farmasi, kimia dan bahan bakar. Strategi yang berbeda dari biossintesis berbasis pabrik sel bertujuan pada produksi metabolit asli, ekspresi jalur biosintetik heterologous, atau ekspresi protein.
Pabrik sel dapat digunakan untuk mensintesis metabolit asli, untuk mengekspresikan jalur biosintetik heterologous, atau untuk mengekspresikan protein.
Biosintesis metabolit asli
Metabolit asli didefinisikan sebagai molekul biologis, yang sel-sel yang digunakan sebagai pabrik sel menghasilkan secara alami. Pabrik sel menghasilkan molekul biologis ini baik intraseluler atau zat yang disyresi. Yang terakhir lebih disukai karena memfasilitasi pemisahan dan pemurnian senyawa yang ditargetkan. Contoh untuk metabolit asli adalah asam amino dan nukleat, antibiotik, vitamin, enzim, senyawa bioaktif, dan protein yang dihasilkan dari jalur anabolik sel.
Jalur Biosintetik Heterologus
Ketika mencoba untuk menghasilkan senyawa yang menarik, salah satu keputusan yang paling penting adalah pilihan produksi di host asli, dan mengoptimalkan host ini, atau transfer jalur ke host terkenal lainnya. Jika host asli dapat disesuaikan dengan proses fermentasi industri, dan tidak ada risiko terkait kesehatan dalam melakukannya (misalnya, produksi produk-produk toksik), ini bisa menjadi strategi yang disukai (seperti halnya, misalnya, untuk penisilin). Namun, dalam banyak kasus modern, potensi menggunakan pabrik sel yang disukai industri dan proses platform terkait di luar beban untuk mentransfer jalur.
Ekspresi Protein
Ekspresi protein dapat dicapai melalui cara homolog dan heterologous. Dalam ekspresi homolog, gen yang secara alami hadir dalam organisme terlalu diungkapkan. Melalui over-ekspresi ini, hasil yang lebih tinggi dari molekul biologis tertentu dapat diproduksi. Untuk ekspresi heterologous, gen tertentu ditransfer ke sel inang karena gen tidak hadir secara alami. Menggunakan rekayasa sel dan teknologi DNA rekombinan, gen dimasukkan ke dalam DNA inang sehingga sel inang menghasilkan (besar) jumlah protein yang tidak akan menghasilkan secara alami. Ekspresi protein dilakukan dalam berbagai inang dari bakteri, misalnya E. dan Bacillis subtilis, ragi, misalnya, Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, jamur filamen, misalnya sebagai A. niger, dan sel-sel yang berasal dari organisme multiseluler seperti mamalia dan serangga. Protein yang tak terhitung sangat menarik, termasuk dari enzim massal, bio-farmasi kompleks, diagnostik dan reagen penelitian. (cf. A.M. Davy et al. 2017)