Disintegrazione ultrasonica delle cellule

Gli ultrasuoni sono un mezzo efficace per disintegrare le strutture cellulari. Pertanto, i sonicatori sono ampiamente utilizzati nei laboratori per rompere le cellule, estrarre molecole intracellulari, proteine e organelli per la ricerca e l'analisi. Su scala industriale, la disintegrazione e la lisi a ultrasuoni vengono utilizzate per isolare le molecole dalle fabbriche di cellule o per promuovere la digestione della biomassa.

Che cos'è la disintegrazione a ultrasuoni?

La disintegrazione a ultrasuoni, nota anche come omogeneizzazione a ultrasuoni, è un processo che utilizza onde ultrasonore ad alta intensità e bassa frequenza per rompere le pareti cellulari e disgregare le strutture molecolari in un mezzo liquido. Questa tecnica è comunemente utilizzata in varie applicazioni scientifiche e industriali per diversi scopi:

Interruzione delle cellule: La disintegrazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata in biologia cellulare e molecolare per disgregare le membrane cellulari, rilasciando contenuti cellulari come proteine, acidi nucleici e organelli. Ciò è utile per estrarre componenti intracellulari da analizzare o per lisare le cellule nei processi di microbiologia e biotecnologia.

• Omogeneizzazione: Aiuta a miscelare in modo uniforme i componenti di un campione, soprattutto quando si ha a che fare con liquidi immiscibili o quando si cerca di ottenere una miscela omogenea di materiali.
• Estrazione delle proteine: In biologia, proteomica e scienze della vita, l'analisi delle proteine è un compito molto comune. Prima di poter essere analizzate nei saggi, le proteine devono essere estratte dall'interno della cellula e isolate. I sonicatori sono il metodo più utilizzato per l'estrazione delle proteine.
• Frammentazione del DNA: Il DNA e l'RNA sono tipi distinti di acidi nucleici che immagazzinano e codificano le informazioni genetiche nelle cellule. Quando si analizzano il DNA e l'RNA, i lunghi filamenti devono talvolta essere frammentati, un processo che può essere eseguito in modo affidabile ed efficiente mediante sonicazione.
• Preparazione del campione: Nella ricerca e nell'analisi, la preparazione dei campioni è una procedura comune prima di varie tecniche analitiche. La disintegrazione a ultrasuoni può aiutare a sciogliere o disperdere i campioni, migliorando l'accuratezza e la riproducibilità delle analisi.

Vantaggi della disintegrazione a ultrasuoni

Perché utilizzare un sonicatore a sonda per la disintegrazione, la disgregazione cellulare e l'estrazione di molecole e proteine intracellulari? Un sonicatore o smembratore a ultrasuoni offre numerosi vantaggi che rendono la sonicazione una tecnologia superiore rispetto ad altri metodi di disintegrazione come l'omogeneizzazione ad alta pressione, la macinazione a sfere o la microfluidizzazione.

• Non termico: La disintegrazione a ultrasuoni è un metodo non termico, cioè non si basa sul calore per scomporre i materiali. Ciò è vantaggioso per le applicazioni in cui le alte temperature potrebbero degradare i campioni sensibili al calore.
• Preciso e controllato: Il processo può essere controllato con elevata precisione, consentendo una specifica disgregazione, miscelazione o riduzione delle dimensioni delle particelle.
• Rapido ed efficiente: L'ultrasonicazione è generalmente un metodo rapido ed efficiente, che lo rende adatto ad applicazioni ad alto rendimento.
• Riduzione dell'uso di sostanze chimiche: In molti casi, la disintegrazione a ultrasuoni può ridurre la necessità di utilizzare prodotti chimici aggressivi o solventi organici, nel rispetto dell'ambiente e del rischio di contaminazione chimica.
• Nessun materiale di fresatura, nessun ugello: Le tecniche di disintegrazione alternative, come la macinazione a sfere o gli omogeneizzatori ad alta pressione, presentano degli svantaggi. La macinazione a sfere richiede l'uso di mezzi di macinazione (sfere o perle), che devono essere faticosamente separati e puliti. Gli omogeneizzatori ad alta pressione hanno ugelli che tendono a intasarsi. Al contrario, gli omogeneizzatori a ultrasuoni sono facili da usare, altamente affidabili e robusti, e richiedono pochissima manutenzione.
• Versatilità: Può essere applicata a un'ampia gamma di materiali, tra cui batteri, cellule vegetali, tessuti di mammiferi, alghe, funghi, ecc. e ciò la rende una tecnica versatile in vari campi.
  Scalabilità: La tecnica a ultrasuoni può essere scalata per i processi industriali, rendendola adatta sia per le applicazioni di laboratorio che per la produzione su larga scala.

Il principio di funzionamento della disintegrazione a ultrasuoni e della distruzione cellulare

Gli ultrasuoni generano onde alternate di alta e bassa pressione nel liquido esposto. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche creano piccole bolle di vuoto nel liquido che collassano violentemente durante il ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. L'implosione della bolla di cavitazione provoca forti forze di taglio idrodinamiche che causano prima la sonoporazione e poi l'efficiente rottura delle strutture cellulari. Le molecole e gli organelli intracellulari vengono completamente rilasciati nel solvente.

Disintegrazione ultrasonica delle strutture cellulari

Le forze di taglio possono disintegrare il materiale fibroso e cellulosico in particelle fini e rompere le pareti della struttura cellulare. In questo modo, il materiale intracellulare, come l'amido o lo zucchero, viene rilasciato nel liquido. Inoltre, il materiale della parete cellulare viene frantumato in piccoli detriti.

Questo effetto può essere sfruttato per la fermentazione, la digestione e altri processi di conversione della materia organica. Dopo la macinazione e la triturazione, gli ultrasuoni rendono disponibile agli enzimi che convertono l'amido in zuccheri una quantità maggiore di materiale intracellulare, ad esempio l'amido e i detriti della parete cellulare. Inoltre, aumenta la superficie esposta agli enzimi durante la liquefazione o la saccarificazione. In genere, questo aumenta la velocità e la resa della fermentazione del lievito e di altri processi di conversione, ad esempio per incrementare la produzione di etanolo dalla biomassa.

Utilizzare la disintegrazione a ultrasuoni – Affidabile ed efficiente su qualsiasi scala

I sonicatori Hielscher sono disponibili con diverse potenze e capacità di trattamento. Sia che vogliate sonicare piccoli campioni biologici da pochi microlitri a pochi litri, sia che dobbiate trattare grandi flussi di cellule o biomasse per la produzione, Hielscher Ultrasonics vi offrirà il dismembratore a ultrasuoni più adatto alla vostra applicazione biologica.

• scala da laboratorio per 1mL a circa 5L, ad es. UP400St con sonotrodo da 22 mm
• scala da banco a circa 0,1-20L/min, ad es. UIP1000hdT con sonotrodo e cella a flusso da 34 mm
• scala di produzione a partire da 20L/min, ad esempio. UIP4000hdT o UIP16000hdT

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri ultrasuoni da laboratorio:

Utilizzate il modulo sottostante se desiderate ricevere maggiori informazioni sull'uso di dispositivi a ultrasuoni per la disintegrazione delle cellule. Saremo lieti di assistervi.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori industriali:

Letteratura / Riferimenti