Disgregazione delle cellule mediante ultrasuoni

La sonicazione è un metodo efficace per disgregare le strutture cellulari. Per questo motivo, i sonicatori sono ampiamente utilizzati nei laboratori per rompere le cellule ed estrarre molecole intracellulari, proteine e organelli per la ricerca e l’analisi. Su scala industriale, la disgregazione e la lisi mediante ultrasuoni vengono utilizzate per isolare molecole dalle fabbriche cellulari o per favorire la digestione della biomassa.

Che cos’è la disgregazione mediante ultrasuoni?

La disgregazione mediante ultrasuoni, nota anche come omogeneizzazione a ultrasuoni, è un processo che utilizza onde ultrasoniche 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 diverse applicazioni scientifiche e industriali per vari scopi:

Disgregazione cellulare: La disgregazione mediante ultrasuoni è ampiamente utilizzata in biologia cellulare e molecolare per rompere le membrane cellulari, rilasciando il contenuto delle cellule, come proteine, acidi nucleici e organelli. È utile per estrarre componenti intracellulari da analizzare o per effettuare la lisi cellulare nei processi microbiologici e biotecnologici.

• Omogeneizzazione: Favorisce la miscelazione uniforme dei componenti di un campione, soprattutto quando si lavora con liquidi immiscibili o si cerca di ottenere una miscela omogenea di materiali.
• Estrazione delle proteine: In biologia, proteomica e nelle scienze della vita, l’analisi delle proteine è un’attività molto comune. Prima di poter analizzare le proteine mediante saggi, è necessario estrarle dall’interno delle cellule e isolarle. L’impiego di sonicatori è il metodo più utilizzato per l’estrazione delle proteine.
• Frammentazione del DNA: Il DNA e l’RNA sono tipi distinti di acidi nucleici che conservano e codificano l’informazione genetica nelle cellule. Quando si analizzano il DNA e l’RNA, talvolta è necessario frammentare i lunghi filamenti, un processo che può essere eseguito in modo affidabile ed efficiente mediante sonicazione.
• Preparazione dei campioni: Nella ricerca e nell’analisi, la preparazione dei campioni è una procedura comune che precede l’applicazione di diverse tecniche analitiche. La disgregazione mediante ultrasuoni può contribuire a dissolvere o disperdere i campioni, migliorando potenzialmente l’accuratezza e la riproducibilità delle analisi.

Vantaggi della disgregazione mediante ultrasuoni

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

• Non termica: La disgregazione mediante ultrasuoni è un metodo non termico, ossia non si basa sul calore per disgregare i materiali. Questo è vantaggioso nelle applicazioni in cui le alte temperature potrebbero degradare campioni termosensibili.
• Precisa e controllata: Il processo può essere controllato con elevata precisione, consentendo una disgregazione, una miscelazione o una riduzione delle dimensioni delle particelle mirate.
• Rapida ed efficiente: La sonicazione è generalmente un metodo rapido ed efficiente, adatto quindi ad applicazioni che richiedono un’elevata capacità di trattamento dei campioni.
• Uso ridotto di sostanze chimiche: In molti casi, la disgregazione mediante ultrasuoni può ridurre la necessità di sostanze chimiche aggressive o solventi organici, con possibili benefici ambientali e una riduzione del rischio di contaminazione chimica.
• Nessun corpo macinante, nessun ugello: Le tecniche alternative di disgregazione, come la macinazione con mulini a sfere o microsfere oppure l’impiego di omogeneizzatori ad alta pressione, presentano svantaggi. La macinazione con mulini a sfere o microsfere richiede l’utilizzo di corpi macinanti (sfere o perle), che devono essere separati e puliti con procedure laboriose. Gli omogeneizzatori ad alta pressione hanno ugelli soggetti a intasamento. Gli omogeneizzatori a ultrasuoni, invece, sono facili da utilizzare, 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., rendendola una tecnica versatile in diversi settori.
  Scalabilità: La tecnica a ultrasuoni può essere portata su scala industriale, risultando adatta sia alle applicazioni di laboratorio sia alla produzione su larga scala.

Il principio di funzionamento della disintegrazione e della disgregazione cellulare mediante ultrasuoni

La sonicazione genera onde alternate di alta e bassa pressione nel liquido sottoposto al trattamento. Durante il ciclo a bassa pressione, le onde ultrasoniche creano nel liquido piccole bolle di vuoto che collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. L’implosione della bolla di cavitazione provoca forti forze di taglio idrodinamiche che determinano prima la sonoporazione e successivamente un’efficiente disgregazione delle strutture cellulari. Le molecole intracellulari e gli organelli vengono completamente rilasciati nel solvente.

Disgregazione delle strutture cellulari mediante ultrasuoni

Le forze di taglio possono disgregare il materiale fibroso e cellulosico in particelle fini e rompere le pareti della struttura cellulare. Questo rilascia nel liquido una maggiore quantità di materiale intracellulare, come amido o zucchero. Inoltre, il materiale della parete cellulare viene ridotto in piccoli frammenti.

Questo effetto può essere utilizzato per la fermentazione, la digestione e altri processi di conversione della materia organica. Dopo la macinazione e la triturazione, la sonicazione rende disponibile agli enzimi che convertono l’amido in zuccheri una maggiore quantità di materiale intracellulare, ad esempio amido, oltre ai frammenti delle pareti cellulari. Aumenta inoltre la superficie esposta agli enzimi durante la liquefazione o la saccarificazione. Questo aumenta generalmente la velocità e la resa della fermentazione con lieviti e di altri processi di conversione, ad esempio per incrementare la produzione di etanolo dalla biomassa.

Utilizzate la disgregazione mediante ultrasuoni – in modo affidabile ed efficiente a qualsiasi scala

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

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

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

Utilizzate il modulo qui sotto se desiderate ricevere maggiori informazioni sull’impiego dei dispositivi a ultrasuoni per la disgregazione delle cellule. Saremo lieti di assistervi.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori industriali:

Bibliografia / Riferimenti

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