Lisis Ultrasonik Sel Hasil Rekayasa Hayati dalam Produksi Industri

Spesies bakteri hasil rekayasa hayati seperti E. coli serta jenis sel mamalia dan tumbuhan yang dimodifikasi secara genetik digunakan secara luas dalam bioteknologi untuk mengekspresikan molekul. Untuk melepaskan biomolekul hasil sintesis ini, diperlukan teknik disrupsi sel yang andal. Ultrasonikasi berkinerja tinggi merupakan metode yang telah terbukti untuk lisis sel yang efisien dan andal – mudah ditingkatkan skalanya untuk kapasitas pemrosesan yang besar. Hielscher Ultrasonics menawarkan peralatan ultrasonik berkinerja tinggi untuk lisis sel yang efektif guna menghasilkan biomolekul berkualitas tinggi dalam volume besar.

Ekstraksi Molekul dari Pabrik Sel

Untuk produksi beragam biomolekul, berbagai mikroba dan sel tumbuhan hasil rekayasa dapat digunakan sebagai pabrik sel mikroba, termasuk Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana dan alga, serta banyak lainnya. Pabrik sel ini dapat menghasilkan protein, lipid, bahan biokimia, polimer, bahan bakar hayati dan oleokimia, yang digunakan sebagai pangan atau bahan baku untuk aplikasi industri. Sel yang digunakan sebagai pabrik sel dikultur dalam bioreaktor tertutup, tempat sel tersebut dapat mencapai efisiensi dan spesifisitas tinggi serta kebutuhan energi yang rendah.
Untuk mengisolasi molekul target dari kultur sel hasil rekayasa hayati, sel harus didisrupsi agar materi intraseluler dilepaskan. Alat disrupsi sel ultrasonik telah digunakan secara luas sebagai teknik yang sangat andal dan efisien untuk disintegrasi sel dan pelepasan senyawa.

Pabrik sel mikroba merupakan sel hasil rekayasa metabolik yang digunakan untuk sintesis berbagai senyawa bernilai tinggi. Disrupsi sel ultrasonik merupakan metode yang efisien dan andal untuk melepaskan senyawa bernilai tinggi dari bagian dalam sel.
studi dan grafik: ©Villaverde, 2010.

Keunggulan Alat Disrupsi Sel Ultrasonik

Sebagai teknologi nontermal yang lembut, tetapi sangat efisien, alat disrupsi ultrasonik digunakan di laboratorium dan industri untuk melisis sel dan menghasilkan ekstrak berkualitas tinggi, misalnya untuk isolasi molekul dari pabrik sel.

Ultrasonik Berdaya Tinggi untuk Disrupsi Pabrik Sel Mikroba yang Efisien

Mekanisme dan Efek Alat Disrupsi Sel Ultrasonik:
Disrupsi sel ultrasonik menggunakan daya gelombang ultrasonik. Homogenizer ultrasonik / alat disrupsi sel dilengkapi dengan probe (juga disebut sonotrode) yang terbuat dari paduan titanium dan berosilasi pada frekuensi tinggi sekitar 20 kHz. Ini berarti probe ultrasonik mengkopel 20.000 getaran per detik ke dalam cairan yang disonikasi. Gelombang ultrasonik yang dikopel ke dalam cairan dicirikan oleh siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian. Selama siklus tekanan rendah, cairan mengembang dan gelembung vakum yang sangat kecil terbentuk. Gelembung yang sangat kecil ini membesar selama beberapa siklus tekanan yang bergantian hingga tidak dapat menyerap energi lagi. Pada titik ini, gelembung kavitasi runtuh ke dalam secara dahsyat dan secara lokal menciptakan lingkungan dengan kepadatan energi yang luar biasa tinggi. Fenomena ini dikenal sebagai kavitasi akustik dan dicirikan oleh suhu yang sangat tinggi, tekanan yang sangat tinggi dan gaya geser secara lokal. Tegangan geser ini secara efisien memecah dinding sel dan meningkatkan perpindahan massa antara bagian dalam sel dan pelarut di sekitarnya. Sebagai teknik yang sepenuhnya mekanis, gaya geser yang dihasilkan secara ultrasonik digunakan secara luas dan merupakan prosedur yang direkomendasikan untuk disrupsi sel bakteri serta isolasi protein. Sebagai metode disrupsi sel yang sederhana dan cepat, sonikasi ideal untuk isolasi dalam volume kecil, sedang dan besar. Sonikator digital Hielscher dilengkapi dengan menu pengaturan yang jelas untuk kontrol sonikasi yang presisi. Semua data sonikasi secara otomatis disimpan pada kartu SD bawaan dan mudah diakses. Opsi pembuangan panas yang canggih seperti pendinginan eksternal, sonikasi dalam mode pulsa, dan sebagainya selama proses disintegrasi ultrasonik memastikan suhu proses yang ideal tetap terjaga sehingga senyawa sensitif terhadap panas yang diekstraksi tetap utuh.

Penelitian Menegaskan Keunggulan Disrupsi Sel dan Ekstraksi Ultrasonik

Prof. Chemat et al. (2017) merangkum dalam studi mereka bahwa “ekstraksi berbantuan ultrasonik merupakan alternatif yang ramah lingkungan dan layak secara ekonomi terhadap teknik konvensional untuk pangan dan produk alami. Manfaat utamanya adalah pengurangan waktu ekstraksi dan pemrosesan, jumlah energi dan pelarut yang digunakan, operasi unit, serta emisi CO₂ .”
Gabig-Ciminska et al. (2014) menggunakan homogenizer bertekanan tinggi dan alat disintegrasi sel ultrasonik dalam studi mereka untuk lisis spora guna melepaskan DNA. Dengan membandingkan kedua metode disrupsi sel tersebut, tim peneliti menyimpulkan bahwa terkait lisis sel untuk DNA spora, “analisis telah dilakukan menggunakan lisat sel dari homogenisasi bertekanan tinggi. Setelah itu, kami menyadari bahwa disrupsi sel ultrasonik memiliki keunggulan luar biasa untuk tujuan ini. Prosesnya cukup cepat dan dapat dilakukan untuk volume sampel kecil.” (Gabig-Ciminska et al., 2014)

Biomolekul dari Pabrik Sel untuk Produksi Pangan

Pabrik sel mikroba merupakan metodologi produksi yang layak dan efisien yang menggunakan organisme mikroba untuk menghasilkan metabolit asli maupun nonasli dengan rendemen tinggi melalui rekayasa hayati metabolik mikroorganisme seperti bakteri, khamir, fungi, dan sebagainya. Enzim dalam jumlah besar, misalnya, diproduksi menggunakan mikroorganisme seperti Aspergillus oryzae, fungi, dan bakteri. Enzim dalam jumlah besar tersebut digunakan untuk produksi pangan dan minuman, serta dalam pertanian, bioenergi dan perawatan rumah tangga.
Bakteri tertentu seperti Acetobacter xylinum dan Gluconacetobacter xylinus menghasilkan selulosa selama proses fermentasi, ketika nanoserat disintesis melalui proses dari bawah ke atas. Selulosa bakteri (juga dikenal sebagai selulosa mikroba) secara kimia setara dengan selulosa tumbuhan, tetapi memiliki derajat kristalinitas yang tinggi dan kemurnian tinggi (bebas dari lignin, hemiselulosa, pektin, dan komponen biogenik lainnya) serta struktur unik berupa jaringan retikuler tiga dimensi (3D) yang teranyam dari nanoserat selulosa. (lihat Zhong, 2020) Dibandingkan dengan selulosa yang berasal dari tumbuhan, selulosa bakteri lebih berkelanjutan dan selulosa yang dihasilkan bersifat murni sehingga tidak memerlukan tahapan pemurnian yang kompleks. Ultrasonikasi dan ekstraksi pelarut menggunakan NaOH atau SDS (natrium dodesil sulfat) sangat efektif untuk isolasi selulosa bakteri dari sel bakteri.

Biomolekul dari Pabrik Sel untuk Produksi Produk Farmasi dan Vaksin

Salah satu produk farmasi paling menonjol yang berasal dari pabrik sel adalah insulin manusia. Untuk produksi insulin melalui rekayasa hayati, E. coli dan Saccharomyces cerevisiae merupakan organisme yang paling banyak digunakan. Karena molekul berukuran nano hasil biosintesis menawarkan biokompatibilitas yang tinggi, nanopartikel biologis seperti feritin menguntungkan untuk berbagai aplikasi biomanufaktur. Selain itu, produksi dalam mikroba hasil rekayasa metabolik sering kali jauh lebih efektif dalam hal rendemen yang diperoleh. Sebagai contoh, produksi asam artemisinat, resveratrol dan likopen telah meningkat sepuluh kali lipat hingga beberapa ratus kali lipat, dan sudah diterapkan atau sedang dikembangkan menuju produksi skala industri. (lihat Liu et al.; Microb. Cell Fact. 2017)
Sebagai contoh, biomolekul berukuran nano berbasis protein dengan sifat merakit diri seperti feritin dan partikel mirip virus sangat menarik untuk pengembangan vaksin karena meniru ukuran sekaligus struktur patogen dan memungkinkan konjugasi antigen pada permukaannya untuk mendorong interaksi dengan sel imun. Molekul tersebut diekspresikan dalam apa yang disebut pabrik sel (misalnya, galur E. coli hasil rekayasa), yang menghasilkan molekul target tertentu.

Protokol Lisis Ultrasonik E. coli BL21 untuk Pelepasan Feritin

Feritin adalah protein yang fungsi utamanya adalah penyimpanan zat besi. Feritin menunjukkan kemampuan yang menjanjikan sebagai nanopartikel yang merakit diri dalam vaksin, yang digunakan sebagai wahana penghantaran vaksin (misalnya protein spike SARS-Cov-2). Penelitian ilmiah Sun et. al. (2016) menunjukkan bahwa feritin rekombinan dapat dilepaskan dalam bentuk larut dari Escherichia coli pada konsentrasi NaCl rendah (≤50 mmol/L). Untuk mengekspresikan feritin dalam E. coli BL21 dan melepaskan feritin tersebut, protokol berikut berhasil diterapkan. Plasmid rekombinan pET-28a/ferritin ditransformasikan ke dalam galur E coli BL21 (DE3). Sel E coli BL21 (DE3) feritin dikultur dalam media pertumbuhan LB dengan 0,5% kanamisin pada 37°C dan diinduksi pada OD600 sebesar 0,6 dengan 0,4% isopropil-β-D-tiogalaktopiranosida selama 3 jam pada 37°C. Kultur akhir kemudian dipanen melalui sentrifugasi pada 8000g selama 10 menit pada 4°C, dan pelet dikumpulkan. Kemudian, pelet diresuspensi masing-masing dalam medium LB (1% NaCl, 1% Typone, 0,5% ekstrak khamir)/bufer lisis (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7,6) dan larutan NaCl dengan konsentrasi berbeda (0, 50, 100, 170, dan 300 mmol/L). Untuk lisis sel bakteri, sonikasi diterapkan dalam mode pulsa: misalnya, menggunakan sonikator UP400St pada amplitudo 100% dengan siklus kerja 5 detik AKTIF, 10 detik NONAKTIF, selama 40 siklus) dan kemudian disentrifugasi pada 10 000g selama 15 menit pada 4°C. Supernatan dan endapan dianalisis dengan elektroforesis gel poliakrilamida natrium dodesil sulfat (SDS-PAGE). Semua gel yang diwarnai dengan natrium dodesil sulfat dipindai dengan pemindai beresolusi tinggi. Citra gel dianalisis menggunakan perangkat lunak Magic Chemi 1D. Untuk kejelasan optimal, pita protein dideteksi dengan menyesuaikan parameter. Data pita dihasilkan dari tiga ulangan teknis. (lihat Sun et al., 2016)

Alat Disrupsi Sel Ultrasonik untuk Lisis Pabrik Sel pada Skala Industri

Lisis dan ekstraksi ultrasonik merupakan metode yang andal dan praktis untuk melepaskan metabolit dari pabrik sel sehingga mendukung produksi molekul target yang efektif. Alat disrupsi sel ultrasonik tersedia dari ukuran laboratorium hingga industri dan skala proses dapat ditingkatkan sepenuhnya secara linier.
Hielscher Ultrasonics merupakan mitra kompeten Anda untuk alat disrupsi ultrasonik berkinerja tinggi dan memiliki pengalaman panjang dalam penerapan sistem ultrasonik pada skala meja laboratorium dan industri.
Dalam hal perangkat keras dan perangkat lunak yang canggih, sistem disrupsi sel Hielscher Ultrasonics memenuhi semua persyaratan untuk kontrol proses yang optimal, pengoperasian yang mudah dan kemudahan penggunaan. Pelanggan dan pengguna sonikator Hielscher menghargai manfaat alat disrupsi sel dan ekstraktor ultrasonik Hielscher yang memungkinkan pemantauan dan kontrol proses secara presisi – melalui layar sentuh digital dan kendali jarak jauh melalui peramban. Semua data sonikasi penting (misalnya energi bersih, energi total, amplitudo, durasi, suhu, tekanan) secara otomatis disimpan sebagai berkas CSV pada kartu SD terintegrasi. Hal ini membantu memperoleh hasil yang dapat direproduksi dan diulang serta memudahkan standardisasi proses dan pemenuhan Cara Pembuatan yang Baik (cGMP).
Tentu saja, prosesor ultrasonik Hielscher dirancang untuk pengoperasian 24/7 dengan beban penuh sehingga dapat dioperasikan secara andal dalam lingkungan produksi industri. Berkat ketahanan tinggi dan kebutuhan pemeliharaan yang rendah, waktu henti peralatan ultrasonik sangat singkat. Fitur CIP (pembersihan di tempat) dan SIP (sterilisasi di tempat) meminimalkan pembersihan yang memerlukan banyak tenaga, terutama karena semua bagian yang bersentuhan dengan cairan memiliki permukaan logam yang halus (tanpa lubang atau nosel tersembunyi).

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: