ヒトミルクオリゴ糖の生合成による生産

発酵または酵素反応によるヒトミルクオリゴ糖（HMO）の生合成は、複雑で資源を消費し、多くの場合、収量の低いプロセスです。超音波処理は、基質と細胞ファクトリーの間の物質移動を増大させ、細胞の増殖と代謝を刺激します。これにより、超音波処理は発酵および生化学プロセスを強化し、HMOの生産を加速させ、効率を高めます。

ヒトミルクオリゴ糖

ヒトミルクオリゴ糖（HMO）は、ヒトミルクグリカンとも呼ばれ、オリゴ糖群に属する糖分子です。HMOの代表的な例には、2’-fucosyllactose（2′-FL）、ラクト-N-ネオテトラオース（LNnT）、3’-galactosyllactose（3′-GL）、ジフコシルラクトース（DFL）があります。
ヒトの母乳には150を超える異なるHMO構造が含まれていますが、現在、商業規模で生産され、乳児用調製乳の栄養添加物として使用されているのは、2′-fucosyllactose（2′-FL）とラクト-N-ネオテトラオース（LNnT）のみです。
ヒトミルクオリゴ糖（HMO）は、乳児の栄養における重要性で知られています。ヒトミルクオリゴ糖は独特な種類の栄養素であり、乳児の腸内でプレバイオティクス、付着阻害作用を持つ抗菌物質、免疫調節物質として働き、脳の発達に大きく寄与します。HMOはヒトの母乳にのみ存在し、他の哺乳類の乳（例えば、牛、ヤギ、羊、ラクダなど）には、これらの特定の形態のオリゴ糖は含まれていません。
ヒトミルクオリゴ糖は、ヒトの母乳中で三番目に多い固形成分であり、水中に溶解、乳化、または懸濁した状態で存在することがあります。乳糖と脂肪酸は、ヒトの母乳に含まれる最も多量の固形成分です。HMOは0.35–0.88オンス（9.9–24.9 g）/ Lの濃度で存在します。構造の異なるヒトミルクオリゴ糖が約200種類知られています。全女性の80%で主要なオリゴ糖となっているのは2′-fucosyllactoseであり、ヒトの母乳中に約2.5 g/ Lの濃度で存在します。
HMOは消化されないため、栄養にカロリーとして寄与しません。難消化性の炭水化物であるため、プレバイオティクスとして機能し、有益な腸内微生物、特にビフィズス菌によって選択的に発酵されます。

ヒトミルクオリゴ糖の生合成

細胞ファクトリーおよび酵素系 / 化学酵素系は、現在HMOの合成に使用されている技術です。工業規模でのHMO生産では、微生物細胞ファクトリーによる発酵、生化学的合成、各種酵素反応が、HMOの生物学的生産に利用可能な方法です。経済的な理由から、微生物細胞ファクトリーによる生合成は、現在、HMOの工業生産規模で使用されている唯一の技術です。

微生物細胞ファクトリーを用いたHMOの発酵

E.coli、Saccharomyces cerevisiae、Lactococcus lactisは、HMOなどの生体分子の生物学的生産に一般的に使用される細胞ファクトリーです。発酵は、微生物を用いて基質を目的の生体分子に変換する生化学プロセスです。微生物細胞ファクトリーは単純な糖を基質として使用し、それをHMOに変換します。単純な糖（例えば乳糖）は豊富で安価な基質であるため、生合成プロセスの費用効率を維持できます。
増殖速度と生物変換速度は、主に微生物への栄養素（基質）の物質移動によって影響を受けます。物質移動速度は、発酵中の生成物の合成に影響する主要な要因です。超音波処理が物質移動を促進することはよく知られています。
発酵中は、細胞が可能な限り速く増殖し、その後、目的の生体分子（例えばHMOなどのオリゴ糖、インスリン、組換えタンパク質）を生産できるように、バイオリアクター内の条件を常に監視し、調整する必要があります。理論上、生成物の形成は、細胞培養で増殖が始まると同時に開始します。ただし、特に改変微生物などの遺伝子改変細胞では、通常、目的の生体分子の発現を増強する化学物質を基質に添加することにより、後の段階で誘導されます。超音波バイオリアクター（ソノバイオリアクター）は精密に制御でき、微生物を特異的に刺激することができます。これにより、生合成が加速し、収量が高まります。
超音波による細胞溶解と抽出：複雑なHMOの発酵は、発酵による生成物濃度が低いことや、生成物が細胞内に残ることによって制限される場合があります。超音波による細胞溶解と抽出は、精製および下流工程の前に細胞内物質を放出させるために使用されます。

超音波による発酵促進

Escherichia coli、改変E.coli、Saccharomyces cerevisiae、Lactococcus lactisなどの微生物の増殖速度は、制御された低周波超音波処理を施して物質移動速度と細胞壁の透過性を高めることで、加速させることができます。穏やかな非加熱処理技術である超音波処理は、発酵液に純粋に機械的な力を加えます。
音響キャビテーション：超音波処理の動作原理は、音響キャビテーションに基づいています。超音波プローブ（ソノトロード）は、低周波超音波を媒体に結合させます。超音波は液体中を伝わり、高圧（圧縮）/ 低圧（希薄化）のサイクルを交互に生み出します。交互のサイクルで液体が圧縮され、引き伸ばされることにより、微小な真空気泡が発生します。これらの小さな真空気泡は、数サイクルにわたって成長し、それ以上エネルギーを吸収できない大きさに達します。この最大成長点で真空気泡は激しく内破し、局所的に極端な条件を生み出します。これはキャビテーション現象として知られています。キャビテーションの「ホットスポット」では、高い圧力差と温度差、および最大280m/secの液体ジェットを伴う強いせん断力が観察されます。これらのキャビテーション効果により、十分な物質移動とソノポレーション（細胞壁および細胞膜の穿孔）が実現します。基質中の栄養素は、生きた完全な細胞へ、さらにその内部へと運ばれるため、細胞ファクトリーに最適な栄養が供給され、増殖速度と変換速度が加速します。超音波バイオリアクターは、ワンポット生合成プロセスでバイオマスを処理するための、単純でありながら非常に効果的な手段です。
精密に制御された穏やかな超音波処理が、発酵プロセスを強化することはよく知られています。
超音波処理は、「基質の取り込みの促進、細胞の多孔性の増大による生産または増殖の促進、そして細胞成分の放出が促進される可能性を通じて、生細胞が関与する多くのバイオプロセスの生産性」を向上させます。（Naveena et al. 2015）
超音波支援発酵について詳しくご覧ください！

Naveena et al.（2015）は、超音波による強化がバイオプロセスにおいて、他の促進処理方法と比較して低い運転コスト、操作の容易さ、控えめな所要電力など、複数の利点をもたらすことを明らかにしました。

高性能超音波発酵リアクター

発酵プロセスには、細胞ファクトリーとして機能する細菌や酵母などの生きた微生物が関与します。超音波処理は物質移動を促進し、微生物の増殖速度と変換速度を高めるために使用されますが、細胞ファクトリーの破壊を避けるため、超音波強度を精密に制御することが極めて重要です。
Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波処理装置の設計、製造、販売を専門としており、これらの装置は優れた発酵収量を確保するために精密に制御・監視できます。

プロセス制御は、高収量と優れた品質に不可欠であるだけでなく、結果の反復と再現も可能にします。特に細胞ファクトリーの刺激においては、高収量を達成し、細胞の劣化を防ぐために、細胞に応じて超音波処理パラメーターを調整することが不可欠です。そのため、Hielscherの超音波処理装置のすべてのデジタルモデルには、超音波処理パラメーターを調整、監視、変更できるインテリジェントソフトウェアが搭載されています。振幅、温度、圧力、超音波処理時間、デューティサイクル、エネルギー投入量などの超音波プロセスパラメーターは、発酵によるHMO生産を促進するために不可欠です。
Hielscherの超音波処理装置のスマートソフトウェアは、重要なプロセスパラメーターをすべて内蔵SDカードに自動記録します。超音波処理プロセスの自動データ記録は、適正製造規範（GMP）で求められるプロセスの標準化と再現性 / 反復性の基盤となります。

発酵用超音波リアクター

Hielscherは、さまざまなサイズ、長さ、形状の超音波プローブを提供しており、バッチ処理と連続フロー処理の両方に使用できます。ソノバイオリアクターとも呼ばれる超音波リアクターは、少量の実験室サンプルからパイロット規模、本格的な商業生産規模まで、超音波バイオプロセスのあらゆる容量に対応しています。
反応容器内の超音波ソノトロードの位置が、媒体中のキャビテーションとマイクロストリーミングの分布に影響することはよく知られています。ソノトロードと超音波リアクターは、細胞培養液の処理容量に応じて選択する必要があります。超音波処理はバッチモードでも連続モードでも実施できますが、大量生産には連続フロー設備の使用が推奨されます。超音波フローセルを通過することにより、細胞培養液の全体がまったく同じ超音波処理を受け、最も効果的な処理が確保されます。Hielscher Ultrasonicsの幅広い超音波プローブとフローセルリアクターにより、理想的な超音波バイオプロセスシステムを構築できます。

Hielscher Ultrasonics – 実験室からパイロット規模、生産規模まで

Hielscher Ultrasonicsは、サンプル調製用のコンパクトな手持ち型超音波ホモジナイザーから、卓上型およびパイロットシステム、さらに毎時トラック数台分を容易に処理する強力な産業用超音波装置まで、超音波機器の全範囲を網羅しています。設置および取り付けの選択肢が多様で柔軟なため、Hielscherの超音波処理装置は、あらゆる種類のバッチリアクター、流加培養設備、連続フロー設備に容易に組み込むことができます。
各種アクセサリーとカスタム部品により、超音波システムをプロセス要件に最適に適合させることができます。
厳しい条件下で、全負荷および高負荷での24/7運転に対応するよう設計されたHielscherの超音波プロセッサーは、信頼性が高く、必要なメンテナンスもわずかです。
以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。