細胞溶解のための超音波処理:細胞破壊と抽出

超音波細胞溶解は、バイオテクノロジー研究所でのサンプル調製手順です。目標は、細胞壁または細胞全体を破壊して生体分子を放出することです。超音波処理は、細胞溶解、細胞破壊および抽出に一般的に使用されます。細胞溶解用のソニケーターの主な利点は、強度や温度などのプロセスパラメータを正確に制御することにあり、穏やかでありながら効率的な細胞破壊と抽出を可能にします。

超音波を用いた細胞溶解

超音波細胞溶解は、高周波の音波を使用して開いた細胞を破壊し、その内容物を抽出します。超音波処理は、プラスミド、受容体アッセイ、タンパク質、DNA、RNAなどの細胞内物質の細胞破壊および抽出に対して確立され、信頼性があります。プロセスパラメータを調整することにより、超音波強度は、穏やかな超音波処理から激しい超音波処理まで、特定のアプリケーション要件を満たすように微調整できます。溶解後のステップには、分画、オルガネラ単離、タンパク質の抽出と精製が含まれます。得られたライセートは、プロテオミクス研究などのさらなる調査や応用のために分離する必要があります。

溶解のためのソニケーション、細胞破壊および抽出についてもっと詳しく知りたい場合は、お問い合わせください。当社の技術チームは、お客様の細胞溶解プロジェクトで喜んで協力いたします。

細胞溶解に超音波処理を使用する利点

他の細胞溶解および抽出方法と比較して、超音波細胞溶解にはいくつかの利点があります。

1. 速度： 超音波細胞溶解および抽出は、数秒で開いた細胞を切断できる高速な方法です。これは、均質化、凍結融解、ビーズミリングなどの他の方法よりもはるかに高速です。
2. 効率： 超音波細胞溶解および抽出は、小さなサンプル、大きなサンプル、または複数のサンプルを一度に処理するために使用できるため、小さなサンプルの個別処理を必要とする他の方法よりも効率的です。
3. ケミカルフリー:超音波細胞溶解および抽出は、刺激の強い化学物質または酵素の使用を必要としない非侵襲的な方法です。これにより、セル内容物の完全性を維持する必要があるアプリケーションに最適です。サンプルの望ましくない汚染を避けることができます。
4. 高収率: 超音波細胞溶解および抽出は、DNA、RNA、およびタンパク質を含む細胞内容物を高収率で抽出することができる。これは、高周波の音波が細胞壁を壊して開き、内容物を周囲の溶液に放出するためです。
5. 温度制御: 洗練された超音波装置により、サンプルの正確な温度制御が可能です。ヒールシャーデジタルソニケーターは、プラグ可能な温度センサーと温度監視ソフトウェアが装備されています。
6. 再現： 超音波細胞溶解のプロトコルは、簡単に再現でき、単純な線形スケールアップにより、さまざまな大小のサンプル量に一致させることさえできます。
7. リバ： 超音波細胞溶解および抽出は、細菌、酵母、真菌、植物および哺乳動物細胞を含む広範囲の細胞型を抽出するために使用することができる。また、タンパク質、DNA、RNA、脂質など、さまざまな種類の分子を抽出するためにも使用できます。
8. 多数のサンプルの同時調製: ヒールシャー超音波は、まったく同じプロセス条件下で多数のサンプルを快適に処理するためのいくつかのソリューションを提供しています。これにより、溶解と抽出のサンプル調製ステップが非常に効率的で時間を節約できます。
9. 使いやすい: 超音波細胞溶解および抽出装置は使いやすく、最小限のトレーニングで済みます。また、この機器は、廃棄の再購入を必要としない単一の投資であるため、経済的です。そのため、幅広い研究者や研究室にとって魅力的な存在となっています。

全体として、超音波細胞溶解および抽出は、細胞内容物を抽出するための迅速、効率的、正確に制御可能、および汎用性の高い方法である。他の方法よりも優れているため、幅広い研究および産業用途に魅力的な選択肢となっています。

超音波細胞溶解の動作原理

超音波細胞溶解および抽出は、高周波音波を使用して細胞を破壊し、その内容物を抽出します。音波は周囲の液体に圧力変化を引き起こし、キャビテーションと呼ばれるプロセスで小さな気泡が形成されて崩壊します。これらの気泡は、局所的に非常に強い機械的力を生成し、開いた細胞を破壊し、その内容物を周囲の溶液に放出する可能性があります。

超音波装置を使用した細胞溶解には、通常、次の手順が含まれます。

• サンプルは、液体バッファーを備えたチューブまたは容器に入れられます。
• 超音波プローブをサンプルに挿入し、約20〜30kHzの高周波音波を印加します。
• 超音波は、周囲の液体に振動とキャビテーションを引き起こし、局所的な力を発生させて細胞を開裂させ、内容物を放出します。
• サンプルを遠心分離またはろ過して細胞の破片を除去し、抽出された内容物をダウンストリーム分析のために収集します。

強力な超音波は、生物学的構造の細胞マトリックスを破壊し、生理活性化合物を放出します。植物材料と溶媒(緩衝液など)との間の物質移動が促進されます。(グラフィック:©Vilkhu et al., 2006)

一般的な溶解法の欠点

研究室での研究中に、従来の機械的または化学的溶解プロトコルを使用した細胞溶解の面倒さをすでに経験しているかもしれません。

• 機械的溶解: モルタルと乳棒による粉砕や、フレンチプレス、ビーズミル、ローターステーターシステムを使用した均質化などの機械的溶解法には、多くの場合、精密な制御と調整のオプションがありません。つまり、ミリングとグラインディングを使用すると、熱とせん断力がすぐに発生し、サンプルに損傷を与え、タンパク質を変性させる可能性があります。また、時間がかかり、大量の出発材料が必要になることもあります。
• 化学的溶解: 界面活性剤ベースの溶解などの化学的溶解法は、脂質二重層を破壊し、タンパク質を変性させることにより、サンプルに損傷を与える可能性があります。また、複数のステップが必要になる場合があり、下流のアプリケーションに干渉する残留汚染物質が残る可能性があります。洗剤の最適な投与量を見つけることは、さらなる課題です。
• 凍結融解サイクル: 凍結融解サイクルは細胞膜の破裂を引き起こす可能性がありますが、サイクルが繰り返されるとタンパク質の変性や分解を引き起こすこともあります。また、この方法では複数のサイクルが必要になる場合があり、時間がかかり、多くの場合、歩留まりが低下します。
• 酵素溶解: 酵素溶解法は、特定の細胞タイプに特異的であり、複数のステップを必要とするため、時間がかかります。また、廃棄物を生成するため、サンプルの劣化を避けるために慎重な最適化が必要です。酵素溶解キットはしばしば高価です。現在の酵素溶解手順が不十分な結果をもたらす場合は、相乗的方法としての超音波処理を適用して細胞破壊を強化することができます。

従来の機械的および化学的細胞溶解法とは対照的に、超音波処理は、超音波処理パラメータを完全に制御することを可能にする細胞崩壊のための非常に効率的で信頼性の高いツールです。これにより、材料の放出と製品の純度に対する高い選択性が保証されます。[cf. Balasundaram et al., 2009]
すべての細胞タイプに適しており、小規模から大規模まで簡単に適用できます – 常に制御された条件下で。超音波装置はお手入れが簡単です。超音波ホモジナイザーは、常に定置洗浄(CIP)機能と定置滅菌(SIP)機能を備えています。ソノトロードは、水または溶剤(作動媒体によって異なります)で拭いたり洗い流したりできる巨大なチタンホーンで構成されています。超音波装置の維持は、その堅牢性がほとんど無視できるためです。

超音波溶解と細胞破壊

通常、ラボでのサンプルの溶解には15秒から2分かかります。超音波処理の強度は、振幅設定、超音波処理時間、および適切な機器を選択することによって非常に簡単に調整できるため、細胞構造および溶解の目的に応じて、細胞膜を非常に穏やかまたは非常に急激に破壊することが可能です(例えば、DNA抽出はより柔らかい超音波処理を必要とし、細菌の完全なタンパク質抽出はより強力な超音波治療を必要とします)。プロセス中の温度は、統合された温度センサーによって監視でき、冷却(氷浴または冷却ジャケット付きフローセル)またはパルスモードでの超音波処理によって容易に制御できます。パルスモード超音波処理中、1〜15秒の短い超音波処理バーストサイクルにより、より長い断続的な期間中の熱放散と冷却が可能になります。
すべての超音波駆動プロセスは完全に再現可能で、直線的にスケーラブルです。

細胞溶解および抽出用の超音波ホモジナイザー

さまざまなタイプの超音波装置により、サンプル調製の目標に一致させ、使いやすさと操作の快適さを保証します。プローブ型超音波装置は、研究室で最も一般的な装置です。0.1mLから1000mLまでの小・中型サンプルの調製に最適です。異なる電力サイズとソノトロードは、最も効果的かつ効率的な超音波処理結果を得るために、超音波装置をサンプル量と容器に適合させることを可能にします。超音波プローブデバイスは、単一のサンプルを調製する必要がある場合に最適です。

より多くのサンプルを調製する必要がある場合、例えば細胞溶液の8-10バイアル、超音波システムによる激しい間接超音波処理 VialTweeterまたは超音波カップホーンは、効率的な溶解のための最も適切な均質化方法です。いくつかのバイアルを同じ強度で同時に超音波処理する。これにより、時間を節約できるだけでなく、すべてのサンプルで同じ処理が保証され、サンプル間の結果の信頼性と同等性が向上します。さらに、間接的な超音波処理中に、超音波ソノトロード(超音波プローブ、ホーン、先端、または指としても知られる)を浸すことによる相互汚染が回避されます。サンプルサイズに個別に適合したバイアルを使用するため、時間のかかるクリーンアップや容器のデカンテーションによるサンプル損失が省略されます。マルチウェルまたはマイクロタイタープレートの均一な超音波処理のために、ヒールシャーはUIP400MTPを提供しています。
細胞抽出物の商業生産など、大量に行う場合は、フローセルリアクターを備えた連続超音波システムが最適です。加工された材料の連続的かつ均一な流れは、均一な超音波処理を保証する。超音波崩壊プロセスのすべてのパラメータは、アプリケーションおよび特定のセル材料の要件に合わせて最適化および調整することができます。
 
 
細菌細胞の超音波溶解のための例示的な手順:

• 細胞懸濁液の調製:細胞ペレットは、ホモジナイズにより緩衝液に完全に懸濁する必要があります(特定のクロマトグラフィー法など、次の分析に適した緩衝液を選択してください)。必要に応じて、リゾチームやその他の添加剤を添加します(分離/精製手段とも互換性がある必要があります)。完全な懸濁液が達成されるまで、穏やかな超音波処理下で溶液を穏やかに混合/均質化します。
• 超音波溶解:サンプルを氷浴に入れます。細胞破壊のためには、懸濁液を60〜90秒のバーストで超音波処理します(ソニケータのパルスモードを使用)。
• 分離:ライセートを遠心分離します(例:10,000 x gで10分間、4°Cで)。上清を細胞ペレットから慎重に分離します。上清は全細胞溶解物です。上清をろ過した後、可溶性細胞タンパク質の清澄化された液体が得られます。

 
生物学およびバイオテクノロジーにおける超音波装置の最も一般的な用途は次のとおりです。

• 細胞抽出物の調製
• 酵母、細菌、植物細胞、軟細胞または硬細胞組織、核物質の破壊
• タンパク質抽出
• 酵素の調製と単離
• 抗原の産生
• DNA抽出および/または標的断片化
• リポソーム調製