細胞の超音波分解

超音波処理は細胞構造を破壊する効果的な手段である。そのため、細胞を破砕し、細胞内分子、タンパク質、細胞小器官を抽出して研究や分析に利用するために、超音波処理装置は研究室で広く使用されている。工業的規模では、細胞工場から分子を分離したり、バイオマスの消化を促進したりするために、超音波分解・溶解が使用されている。

超音波崩壊とは？

超音波ホモジナイゼーションとしても知られる超音波分解は、高強度、低周波の超音波を使用して、液体媒体中の細胞壁を破壊し、分子構造を破壊するプロセスである。この技術は、様々な科学的・工業的応用において、いくつかの目的で一般的に使用されている：

細胞の破壊： 超音波分解は、細胞膜を破壊し、タンパク質、核酸、オルガネラなどの細胞内容物を放出するために、細胞生物学や分子生物学で広く使用されている。これは、分析のための細胞内成分の抽出や、微生物学やバイオテクノロジープロセスにおける細胞の溶解に有用である。

• 均質化： 特に非混和性の液体を扱う場合や、材料の一貫したブレンドを達成しようとする場合に、サンプル中の成分の均一な混合に役立ちます。
• タンパク質の抽出： 生物学、プロテオミクス生命科学において、タンパク質の分析は非常に一般的な作業である。アッセイでタンパク質を分析する前に、細胞内部からタンパク質を抽出し、単離する必要がある。ソニケーターはタンパク質抽出に最も広く使われている方法である。
• DNAの断片化： DNAとRNAは、細胞内で遺伝情報を保存しコード化する、異なるタイプの核酸である。DNAやRNAを分析する際には、長い鎖を断片化する必要があるが、超音波処理によってこのプロセスを確実かつ効率的に行うことができる。
• サンプルの準備： 研究や分析において、サンプルの前処理は様々な分析手法の前に行われる一般的な手順です。超音波分解は試料の溶解や分散に役立ち、分析の精度や再現性を向上させる可能性があります。

超音波崩壊の利点

なぜプローブ型ソニケーターを用いて細胞内分子やタンパク質の分解、細胞破砕、抽出を行うのでしょうか？高圧ホモジナイザー、ボールミリング、マイクロフルイダイゼーションなど、他の破砕方法と比較した場合、ソニケーターや超音波破砕機には多くの利点があります。

• 非加熱： 超音波分解は非熱的な方法であり、物質を分解するのに熱に頼らないことを意味する。これは、高温が熱に敏感なサンプルを劣化させる可能性のあるアプリケーションに有利である。
• 正確でコントロールされている： このプロセスは高精度で制御でき、特定の破壊、混合、粒径の縮小が可能である。
• 迅速かつ効率的： 超音波処理は一般に迅速かつ効率的な方法であり、ハイスループットなアプリケーションに適している。
• 化学薬品の使用量を削減： 多くの場合、超音波分解は刺激の強い化学薬品や有機溶剤の必要性を減らすことができ、環境にやさしく、化学物質による汚染のリスクを減らすことができる。
• 粉砕媒体なし、ノズルなし： ボール／ビーズミリングや高圧ホモジナイザーなどの代替崩壊技術には欠点がある。ボール／ビーズミリングでは、ミリングメディア（ビーズまたはパール）を使用する必要があり、その分離と洗浄に手間がかかる。高圧ホモジナイザーはノズルが詰まりやすい。一方、超音波ホモジナイザーは使いやすく、信頼性が高く、堅牢であるため、メンテナンスはほとんど必要ありません。
• 汎用性がある： バクテリア、植物細胞、哺乳類組織、藻類、真菌類など、幅広い材料に適用できるため、さまざまな分野で汎用性の高い技術となっている。
  スケーラビリティ： 超音波技術は工業プロセス用にスケールアップすることが可能で、実験室と大規模生産の両方の用途に適している。

超音波による細胞崩壊の原理

超音波照射は、液体に高圧と低圧の波を交互に発生させる。低圧サイクルの間、超音波は液体中に小さな真空の気泡を発生させ、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。キャビテーション気泡の内破により、強い流体力学的剪断力が発生し、最初に超音波洗浄が行われ、その後、細胞構造が効率的に破壊される。細胞内分子および細胞小器官は完全に溶媒中に放出されます。

細胞構造の超音波分解

剪断力は、繊維状のセルロース系素材を細かい粒子に分解し、細胞構造の壁を壊すことができる。これにより、デンプンや糖分などの細胞内物質が液体中に多く放出される。それに加えて、細胞壁材料は小さな破片に分解される。

この効果は、有機物の発酵、消化、その他の変換プロセスに利用できる。粉砕や摩砕の後、超音波をかけると、デンプンなどの細胞内物質や細胞壁の残骸が、デンプンを糖に変換する酵素に利用されやすくなる。また、液化や糖化の際に酵素にさらされる表面積も増える。これにより、通常、酵母発酵やその他の変換プロセスの速度と収率が向上し、バイオマスからのエタノール生産が促進される。

超音波分解を使用する – どのような規模でも確実かつ効率的に

Hielscher 社のソニケーターは、様々な定格出力と処理能力を備えています。数マイクロリットルから数リットルの小さな生物試料を超音波処理する場合でも、生産用の大きな細胞やバイオマスの流れを処理する必要がある場合でも、Hielscher Ultrasonicsはお客様の生物学的用途に最適な超音波剥離装置を提供します。

• 1mLから約5Lまでのラボスケール。 UP400St、22mmソノトロード付き
• 約0.1～20L/minのベンチトップスケール。 UIP1000hdT、34mmソノトロードおよびフローセル付き
• 生産規模は20L/minから。 UIP4000hdT または UIP16000hdT

下の表は、ラボ用超音波処理装置の処理能力の目安です：

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下の表は、当社の工業用超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています：

文献・参考文献