細胞の超音波破砕

超音波処理は、細胞構造を破砕する効果的な手段です。そのため、研究や分析のために細胞を破砕し、細胞内の分子、タンパク質、細胞小器官を抽出する目的で、実験室では超音波処理装置が広く使用されています。産業規模では、超音波破砕および溶解は、細胞工場から分子を単離したり、バイオマスの消化を促進したりするために使用されます。

超音波破砕とは？

超音波破砕は、超音波ホモジナイゼーションとも呼ばれ、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、分子構造を破砕するプロセスです。この技術は、科学および産業のさまざまな用途において、以下のような目的で一般的に使用されています。

細胞破砕： 超音波破砕は、細胞膜を破壊し、タンパク質、核酸、細胞小器官などの細胞内容物を放出させるために、細胞生物学および分子生物学で広く使用されています。これは、分析のために細胞内成分を抽出する場合や、微生物学およびバイオテクノロジーのプロセスで細胞を溶解する場合に有用です。

• ホモジナイゼーション： サンプル内の成分を均一に混合するのに役立ちます。特に、互いに混和しない液体を扱う場合や、材料を均一に混合しようとする場合に有用です。
• タンパク質抽出： 生物学、プロテオミクス、生命科学では、タンパク質の分析は非常に一般的な作業です。アッセイでタンパク質を分析するには、まず細胞内部から抽出し、単離する必要があります。超音波処理装置を使用する方法は、タンパク質抽出で最も広く使用されています。
• DNA断片化： DNAとRNAは、細胞内で遺伝情報を保存し、コードする、異なる種類の核酸です。DNAとRNAを分析する際には、長い鎖を断片化する必要がある場合があります。このプロセスは、超音波処理によって確実かつ効率的に実施できます。
• サンプル前処理： 研究や分析では、さまざまな分析技術を適用する前にサンプル前処理を行うのが一般的です。超音波破砕は、サンプルの溶解や分散に役立ち、分析の正確さと再現性を向上させる可能性があります。

超音波破砕の利点

崩壊、細胞破砕、細胞内分子およびタンパク質の抽出に、なぜプローブ型超音波処理装置を使用するのでしょうか？超音波処理装置または超音波破砕装置には数多くの利点があり、高圧ホモジナイゼーション、ボールミル粉砕、マイクロフルイダイゼーションなどの他の破砕方法と比較して、超音波処理は優れた技術です。

• 非熱的： 超音波破砕は非熱的な方法であり、材料の破砕に熱を利用しません。この点は、高温によって熱に敏感なサンプルが劣化するおそれのある用途で有利です。
• 精密な制御： プロセスを高精度で制御できるため、目的に応じた破砕、混合、粒径の縮小が可能です。
• 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、高い処理能力を必要とする用途に適しています。
• 化学薬品の使用量削減： 多くの場合、超音波破砕によって、強力な化学薬品や有機溶媒の必要量を減らすことができます。これにより、環境への負荷を軽減し、化学的汚染のリスクを低減できる可能性があります。
• 粉砕媒体もノズルも不要： ボールミル・ビーズミルによる粉砕や高圧ホモジナイザーなど、他の破砕技術には欠点があります。ボールミル・ビーズミルによる粉砕では、粉砕媒体（ビーズやパール）が必要となり、その分離と洗浄には手間がかかります。高圧ホモジナイザーには、詰まりやすいノズルがあります。これに対して、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、メンテナンスはごくわずかで済みます。
• 汎用性： 細菌、植物細胞、哺乳類組織、藻類、真菌など、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です。
  スケールアップ： 超音波技術は産業プロセス向けにスケールアップできるため、実験室での用途と大規模生産の用途の両方に適しています。

超音波による崩壊および細胞破砕の動作原理

超音波処理は、超音波にさらされた液体中に、高圧波と低圧波を交互に発生させます。低圧サイクルでは、超音波が液体中に小さな真空気泡を形成し、これらの気泡は高圧サイクルで激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれます。キャビテーション気泡の圧壊は強い流体力学的せん断力を生じさせ、まずソノポレーションを引き起こし、続いて細胞構造を効率的に破砕します。細胞内の分子と細胞小器官は、溶媒中に完全に放出されます。

細胞構造の超音波破砕

せん断力は、繊維状のセルロース系材料を微粒子に破砕し、細胞構造の壁を破壊することができます。これにより、デンプンや糖などの細胞内物質がより多く液体中に放出されます。さらに、細胞壁を構成する材料も小さな破片に破砕されます。

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ます。粉砕および磨砕の後に超音波処理を行うと、デンプンなどの細胞内物質や細胞壁の破片が、デンプンを糖に変換する酵素にとって、より多く利用可能になります。また、液化や糖化の際に酵素にさらされる表面積も増加します。これにより、通常は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、例えばバイオマスからのエタノール生産量を増やすことができます。

超音波破砕の活用 – あらゆる規模で確実かつ効率的に

Hielscher の超音波処理装置は、さまざまな定格出力と処理能力で提供されています。数マイクロリットルから数リットルの少量の生物学的サンプルを超音波処理したい場合でも、生産のために大量の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破砕装置をご提案します。

• 1mLから約5Lの実験室規模、例： 22mm ソノトロードを備えた UP400St
• 約0.1から20L/minの卓上規模、例： 34mm ソノトロードとフローセルを備えた UIP1000hdT
• 20L/minからの生産規模、例： UIP4000hdT または UIP16000hdT

以下の表は、当社の実験室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。

細胞破砕を目的とした超音波装置の使用について詳しい情報をご希望の場合は、以下のフォームをご利用ください。喜んでお手伝いいたします。

以下の表は、当社の産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／参考資料

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• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.