ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდების ბიოსინთეზური წარმოება

ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდების (HMOs) ბიოსინთეზი ფერმენტაციის ან ფერმენტული რეაქციების გზით არის რთული, რესურსტევადი და ხშირად დაბალი გამოსავლიანობის პროცესი. ულტრაბგერითი დამუშავება ზრდის მასათა გადატანას სუბსტატსა და უჯრედულ ფაბრიკებს შორის და ასტიმულირებს უჯრედების ზრდასა და მეტაბოლიზმს. ამრიგად, ულტრაბგერითი დამუშავება აძლიერებს ფერმენტაციას და ბიოქიმიურ პროცესებს, რაც იწვევს HMOs-ის უფრო სწრაფ და ეფექტურ წარმოებას.

ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდები

ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდები (HMOs), რომლებიც ასევე ცნობილია როგორც ადამიანის რძის გლიკანები, არის შაქრის მოლეკულები, რომლებიც შედიან ოლიგოსაქარიდების ჯგუფში. HMOs-ის მნიშვნელოვანი მაგალითებია 2’-ფუკოზილაქტოზა (2′-FL), ლაქტო-N-ნეოტეტრაოზა (LNnT), 3’-გალაქტოზილაქტოზა (3′-GL) და დიფუკოზილაქტოზა (DFL).
მიუხედავად იმისა, რომ ადამიანის დედის რძე შეიცავს 150-ზე მეტ სხვადასხვა HMO სტრუქტურას, ამჟამად მხოლოდ 2′-ფუკოზილაქტოზა (2′-FL) და ლაქტო-N-ნეოტეტრაოზა (LNnT) იწარმოება კომერციულ დონეზე და გამოიყენება საკვებ დანამატებად ჩვილთა ხელოვნურ საკვებ ნარევებში.
ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდები (HMOs) ცნობილია თავიანთი მნიშვნელობით ჩვილების კვებაში. ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდები არის ნუტრიენტების უნიკალური ტიპი, რომლებიც მოქმედებენ როგორც პრებიოტიკები, ანტიადჰეზიური ანტიმიკრობული საშუალებები და იმუნომოდულატორები ჩვილის ნაწლავში და მნიშვნელოვნად უწყობენ ხელს ტვინის განვითარებას. HMOs მხოლოდ ადამიანის დედის რძეში გვხვდება; სხვა ძუძუმწოვრების რძე (მაგ. ძროხის, თხის, ცხვრის, აქლემის და ა.შ.) არ შეიცავს ოლიგოსაქარიდების ამ კონკრეტულ ფორმას.
ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდები რაოდენობით მესამე ადგილზეა ადამიანის რძის მყარ კომპონენტებს შორის და წყალში შეიძლება იყოს გახსნილი, ემულსირებული ან სუსპენზიის სახით. ლაქტოზა და ცხიმოვანი მჟავები ადამიანის რძეში ყველაზე უხვად არსებული მყარი ნივთიერებებია. HMOs წარმოდგენილია 0,35–0,88 უნციის (9,9–24,9 გ)/ლ კონცენტრაციით. ცნობილია დაახლოებით 200 სტრუქტურულად განსხვავებული ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდი. ქალების 80%-ში დომინანტი ოლიგოსაქარიდია 2′-ფუკოზილაქტოზა, რომელიც ადამიანის დედის რძეში წარმოდგენილია დაახლოებით 2,5 გ/ლ კონცენტრაციით.
რადგან HMOs არ მოინელება, ისინი საკვების კალორიულ ღირებულებას არ ზრდიან. როგორც მოუნელებელი ნახშირწყლები, ისინი მოქმედებენ როგორც პრებიოტიკები და შერჩევითად ფერმენტირდებიან ნაწლავის სასარგებლო მიკროფლორის, განსაკუთრებით ბიფიდობაქტერიების მიერ.

ადამიანის რძის ოლიგოსაქარიდების ბიოსინთეზი

უჯრედული ფაბრიკები და ფერმენტული / ქიმიო-ფერმენტული სისტემები არის ამჟამად გამოყენებული ტექნოლოგიები HMOs-ის სინთეზისთვის. HMOs-ის წარმოებისთვის სამრეწველო მასშტაბით, მიკრობული უჯრედული ფაბრიკების ფერმენტაცია, ბიოქიმიური სინთეზი და სხვადასხვა ფერმენტული რეაქციები არის HMOs-ის ბიოწარმოების შესაძლო გზები. ეკონომიკური მიზეზების გამო, ბიოსინთეზი მიკრობული უჯრედული ფაბრიკების მეშვეობით არის ამჟამად ერთადერთი ტექნიკა, რომელიც გამოიყენება HMOs-ის სამრეწველო წარმოების დონეზე.

HMOs-ის ფერმენტაცია მიკრობული უჯრედული ფაბრიკების გამოყენებით

E.coli, Saccharomyces cerevisiae და Lactococcus lactis არის უჯრედული ფაბრიკები, რომლებიც ფართოდ გამოიყენება ბიოლოგიური მოლეკულების, როგორიცაა HMO-ები, ბიოწარმოებისთვის. ფერმენტაცია არის ბიოქიმიური პროცესი, რომელიც იყენებს მიკროორგანიზმებს სუბსტრატის მიზნობრივ ბიოლოგიურ მოლეკულებად გარდაქმნისთვის. მიკრობული უჯრედული ფაბრიკები იყენებენ მარტივ შაქრებს, როგორც სუბსტრატს, რომელსაც ისინი HMO-ებად გარდაქმნიან. რადგან მარტივი შაქრები (მაგ. ლაქტოზა) უხვად ხელმისაწვდომი და იაფი სუბსტრატია, ბიოსინთეზის პროცესი ეკონომიკურად ეფექტური რჩება.
ზრდისა და ბიოგარდაქმნის სიჩქარე ძირითადად დამოკიდებულია ნუტრიენტების (სუბსტრატის) მასათა გადატანაზე მიკროორგანიზმებისთვის. მასათა გადატანის სიჩქარე არის მთავარი ფაქტორი, რომელიც მოქმედებს პროდუქტის სინთეზზე ფერმენტაციის დროს. ცნობილია, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება აძლიერებს მასათა გადატანას.
ფერმენტაციის დროს ბიორეაქტორში პირობები მუდმივად უნდა კონტროლდებოდეს და რეგულირდებოდეს, რათა უჯრედები რაც შეიძლება სწრაფად გაიზარდონ და შემდეგ წარმოქმნან მიზნობრივი ბიომოლეკულები (მაგ. ოლიგოსაქარიდები, როგორიცაა HMO-ები; ინსულინი; რეკომბინანტური ცილები). თეორიულად, პროდუქტის წარმოქმნა იწყება მაშინვე, როგორც კი უჯრედული კულტურა იწყებს ზრდას. თუმცა, განსაკუთრებით გენეტიკურად მოდიფიცირებულ უჯრედებში, როგორიცაა გენეტიკური ინჟინერიით მიღებული მიკროორგანიზმები, პროდუქტის წარმოქმნა ჩვეულებრივ მოგვიანებით ინდუცირდება სუბსტრატში ქიმიური ნივთიერების დამატებით, რაც ზრდის მიზნობრივი ბიომოლეკულის ექსპრესიას. ულტრაბგერითი ბიორეაქტორები (სონო-ბიორეაქტორები) ზუსტ კონტროლს ექვემდებარება და მიკრობების სპეციფიკური სტიმულირების საშუალებას იძლევა. ეს იწვევს ბიოსინთეზის აჩქარებას და უფრო მაღალ გამოსავლიანობას.
ულტრაბგერითი ლიზისი და ექსტრაქცია: რთული HMO-ების ფერმენტაცია შეიძლება იყოს შეზღუდული დაბალი ფერმენტაციის ტიტრებით და პროდუქტების უჯრედშიდა დარჩენით. ულტრაბგერითი ლიზისი და ექსტრაქცია გამოიყენება უჯრედშიდა მასალის გამოსათავისუფლებლად გასუფთავებისა და შემდგომი პროცესების წინ.

ულტრაბგერითი დამუშავებით ხელშეწყობილი ფერმენტაცია

მიკრობების, როგორიცაა Escherichia coli, გენეტიკური ინჟინერიით მიღებული E.coli, Saccharomyces cerevisiae და Lactococcus lactis, ზრდა შეიძლება დაჩქარდეს კონტროლირებადი დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი დამუშავებით მასათა გადატანის სიჩქარისა და უჯრედის კედლის გამტარობის გაზრდის გზით. როგორც რბილი, არათერმული დამუშავების ტექნიკა, ულტრაბგერითი დამუშავება ფერმენტაციის ბულიონზე მხოლოდ მექანიკური ძალებით ზემოქმედებს.
აკუსტიკური კავიტაცია: ულტრაბგერითი დამუშავების მუშაობის პრინციპი ეფუძნება აკუსტიკურ კავიტაციას. ულტრაბგერითი ზონდი (სონოტროდი) დაბალი სიხშირის ულტრაბგერით ტალღებს გარემოში გადასცემს. ულტრაბგერითი ტალღები ვრცელდება სითხეში და ქმნის მონაცვლეობით მაღალი წნევის (შეკუმშვის) / დაბალი წნევის (გაიშვიათების) ციკლებს. სითხის მონაცვლეობითი შეკუმშვისა და გაჭიმვის შედეგად წარმოიქმნება უმცირესი ვაკუუმური ბუშტუკები. ეს მცირე ვაკუუმური ბუშტუკები რამდენიმე ციკლის განმავლობაში იზრდება, სანამ ისეთ ზომას არ მიაღწევს, რომ დამატებითი ენერგიის შთანთქმა ვეღარ შეძლოს. მაქსიმალური ზრდის ამ მომენტში ვაკუუმური ბუშტუკი ძალზე ინტენსიურად ჩაინგრევა და ადგილობრივად ქმნის ექსტრემალურ პირობებს; ეს მოვლენა კავიტაციის სახელითაა ცნობილი. კავიტაციურ „ცხელ წერტილში“ შეინიშნება წნევისა და ტემპერატურის დიდი სხვაობები და ინტენსიური ძვრის ძალები სითხის ჭავლებთან ერთად, რომელთა სიჩქარეც 280მ/წმ-მდე აღწევს. ამ კავიტაციური ეფექტებით მიიღწევა ინტენსიური მასათა გადატანა და სონოპორაცია (უჯრედის კედლებისა და უჯრედის მემბრანების პერფორაცია). სუბსტრატის ნუტრიენტები მიეწოდება ცოცხალ, მთლიან უჯრედებს და აღწევს მათ შიგნით, რის შედეგადაც უჯრედული ფაბრიკები ოპტიმალურად იკვებება და იზრდება როგორც ზრდის, ისე გარდაქმნის სიჩქარე. ულტრაბგერითი ბიორეაქტორები ბიომასის ერთ რეაქციულ ჭურჭელში მიმდინარე ბიოსინთეზის პროცესით დამუშავების მარტივი, მაგრამ უაღრესად ეფექტური საშუალებაა.
ზუსტად კონტროლირებადი, რბილი ულტრაბგერითი დამუშავება ცნობილია, როგორც ფერმენტაციის პროცესების გააქტიურების საშუალება.
ულტრაბგერითი დამუშავება აუმჯობესებს „ბევრი ბიოპროცესის პროდუქტიულობას, რომლებიც მოიცავს ცოცხალ უჯრედებს, სუბსტრატის მიღების გაძლიერებით, გამოსავლიანობის ან ზრდის გაუმჯობესებით უჯრედის პოროზულობის ზრდით და პოტენციურად უჯრედის კომპონენტების გამოთავისუფლების გაძლიერებით.“ (Naveena et al. 2015)
გაიგეთ მეტი ულტრაბგერითი დახმარებით ფერმენტაციის შესახებ!

Naveena et al. (2015) დაადგინეს, რომ ულტრაბგერითი ინტენსიფიკაცია ბიოპროცესების დროს რამდენიმე უპირატესობას იძლევა, მათ შორის სხვა გამაძლიერებელ დამუშავების მეთოდებთან შედარებით დაბალ საექსპლუატაციო ხარჯებს, ექსპლუატაციის სიმარტივესა და სიმძლავრეზე მცირე მოთხოვნას.

მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ფერმენტაციული რეაქტორები

ფერმენტაციის პროცესები გულისხმობს ცოცხალ მიკროორგანიზმებს, როგორიცაა ბაქტერიები ან საფუარი, რომლებიც უჯრედული ფაბრიკების ფუნქციას ასრულებენ. მიუხედავად იმისა, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება მასათა გადატანის გასააქტიურებლად და მიკროორგანიზმების ზრდისა და გარდაქმნის სიჩქარის გასაზრდელად, კრიტიკულად მნიშვნელოვანია ულტრაბგერითი ინტენსივობის ზუსტი კონტროლი უჯრედული ფაბრიკების დესტრუქციის თავიდან ასაცილებლად.
Hielscher Ultrasonics არის სპეციალისტი მაღალი წარმადობის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების დიზაინის, წარმოებისა და გავრცელების სფეროში, რომლებიც შეიძლება ზუსტად კონტროლდებოდეს და მონიტორინგდებოდეს ფერმენტაციის უმაღლესი წარმადობის უზრუნველსაყოფად.

პროცესის კონტროლი არა მხოლოდ მაღალი წარმადობისა და უმაღლესი ხარისხისთვისაა მნიშვნელოვანი, არამედ შედეგების გამეორებისა და რეპროდუცირების საშუალებასაც იძლევა. განსაკუთრებით მაშინ, როდესაც საქმე ეხება უჯრედული ფაბრიკების სტიმულირებას, ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრების უჯრედ-სპეციფიკური ადაპტაცია მნიშვნელოვანია მაღალი წარმადობის მისაღწევად და უჯრედული დეგრადაციის თავიდან ასაცილებლად. ამიტომ, Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების ყველა ციფრული მოდელი აღჭურვილია ინტელექტუალური პროგრამული უზრუნველყოფით, რომელიც საშუალებას გაძლევთ დაარეგულიროთ, მონიტორინგი გაუწიოთ და გადახედოთ ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრებს. ულტრაბგერითი პროცესის პარამეტრები, როგორიცაა ამპლიტუდა, ტემპერატურა, წნევა, ულტრაბგერითი დამუშავების ხანგრძლივობა, ციკლურობა და ენერგიის შეტანა, მნიშვნელოვანია ფერმენტაციის მეშვეობით HMO-ს წარმოების გასააქტიურებლად.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების სმარტ პროგრამული უზრუნველყოფა ავტომატურად აფიქსირებს ყველა მნიშვნელოვან პროცესის პარამეტრს ინტეგრირებულ SD-ბარათზე. ულტრაბგერითი დამუშავების პროცესის ავტომატური მონაცემთა ჩაწერა წარმოადგენს პროცესის სტანდარტიზაციისა და რეპროდუცირებადობის / გამეორებადობის საფუძველს, რაც აუცილებელია კარგი წარმოების პრაქტიკისთვის (GMP).

ულტრაბგერითი რეაქტორები ფერმენტაციისთვის

Hielscher გთავაზობთ სხვადასხვა ზომის, სიგრძისა და გეომეტრიის ულტრაბგერით პრობებს, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც პარტიული, ისე უწყვეტი ნაკადის დამუშავებისთვის. ულტრაბგერითი რეაქტორები, რომლებიც ასევე ცნობილია როგორც სონო-ბიორეაქტორები, ხელმისაწვდომია ნებისმიერი მოცულობისთვის, რომელიც მოიცავს ულტრაბგერით ბიოპროცესინგს მცირე ლაბორატორიული ნიმუშებიდან საცდელი და სრულად კომერციული წარმოების დონემდე.
ცნობილია, რომ ულტრაბგერითი სონოტროდის მდებარეობა რეაქციულ ჭურჭელში გავლენას ახდენს კავიტაციისა და მიკრონაკადების განაწილებაზე გარემოში. სონოტროდი და ულტრაბგერითი რეაქტორი უნდა შეირჩეს უჯრედული კულტურის სითხის დასამუშავებელი მოცულობის შესაბამისად. მიუხედავად იმისა, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება შესაძლებელია როგორც პარტიულ, ისე უწყვეტ რეჟიმში, წარმოების დიდი მოცულობებისთვის რეკომენდებულია უწყვეტი ნაკადის დანადგარის გამოყენება. ულტრაბგერითი ნაკადის კამერაში გავლისას მთელი უჯრედული საკვები არე ულტრაბგერითი ზემოქმედების ზუსტად ერთნაირ დოზას იღებს, რაც უზრუნველყოფს ყველაზე ეფექტურ დამუშავებას. Hielscher Ultrasonics-ის ულტრაბგერითი პრობებისა და ნაკადის კამერის რეაქტორების ფართო არჩევანი იდეალური ულტრაბგერითი ბიოპროცესინგის სისტემის აწყობის საშუალებას იძლევა.

Hielscher Ultrasonics – ლაბორატორიიდან საპილოტე ეტაპამდე და წარმოებამდე

Hielscher Ultrasonics მოიცავს ულტრაბგერითი აღჭურვილობის სრულ სპექტრს და გთავაზობთ როგორც კომპაქტურ ხელის ულტრაბგერით ჰომოგენიზატორებს ნიმუშების მოსამზადებლად, ისე მაგიდის და საპილოტე სისტემებსა და მძლავრ სამრეწველო ულტრაბგერით დანადგარებს, რომლებიც საათში სატვირთო მანქანებით გადასაზიდ მოცულობებს ადვილად ამუშავებენ. მონტაჟისა და დამაგრების მრავალფეროვანი და მოქნილი ვარიანტების წყალობით, Hielscher-ის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ადვილად ინტეგრირდება ყველა ტიპის პარტიულ რეაქტორში, სუბსტრატის დამატებით კვებაზე მომუშავე პარტიულ სისტემაში ან უწყვეტი ნაკადის სისტემაში.
სხვადასხვა აქსესუარები და ინდივიდუალურად დამზადებული ნაწილები საშუალებას იძლევა თქვენი ულტრაბგერითი სისტემა იდეალურად შეესაბამებოდეს თქვენს პროცესის მოთხოვნებს.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები შექმნილია სრული დატვირთვით, მძიმე საექსპლუატაციო პირობებში 24/7 მუშაობისთვის, საიმედოა და მხოლოდ მცირე ტექნიკურ მომსახურებას საჭიროებს.
ქვემოთ მოცემული ცხრილი გიჩვენებთ ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების მიახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის მაჩვენებლებს: