ბიოინჟინერირებული ბაქტერიების სახეობები, როგორიცაა E. coli, ასევე გენმოდიფიცირებული ძუძუმწოვრების და მცენარეული უჯრედების ტიპები, ფართოდ გამოიყენება ბიოტექნოლოგიაში მოლეკულების გამოხატვის მიზნით. ამ სინთეზირებული ბიომოლეკულების გასათავისუფლებლად საჭიროა უჯრედების დაშლის საიმედო ტექნიკა. მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი დადასტურებული მეთოდი ეფექტური და საიმედო უჯრედების ლიზისისთვის – ადვილად მასშტაბირებადი დიდი გამტარუნარიანობისთვის. Hielscher Ultrasonics გთავაზობთ მაღალი ეფექტურობის ულტრაბგერით აღჭურვილობას უჯრედების ეფექტური ლიზისისთვის, მაღალი ხარისხის ბიომოლეკულების დიდი მოცულობის წარმოებისთვის.

მოლეკულების მოპოვება უჯრედული ქარხნებიდან

ბიომოლეკულების ფართო სპექტრის წარმოებისთვის, სხვადასხვა ინჟინერიული მიკრობები და მცენარეული უჯრედები შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც მიკრობული უჯრედების ქარხნები, მათ შორის Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, cerevisias, Saccharomyes. Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana და წყალმცენარეები, მათ შორის მრავალი სხვა. ამ უჯრედულ ქარხნებს შეუძლიათ აწარმოონ ცილები, ლიპიდები, ბიოქიმიკატები, პოლიმერები, ბიოსაწვავი და ოლეოქიმიკატები, რომლებიც გამოიყენება როგორც საკვები ან ნედლეული სამრეწველო გამოყენებისთვის. უჯრედები, რომლებიც გამოიყენება როგორც უჯრედის ქარხნები, კულტივირებულია დახურულ ბიორეაქტორებში, სადაც მათ შეუძლიათ მიაღწიონ მაღალ ეფექტურობას, სპეციფიკურობას და ენერგიის დაბალ მოთხოვნებს.
სამიზნე მოლეკულების იზოლირებისთვის ბიოინჟინერირებული უჯრედული კულტურებიდან, უჯრედები უნდა დაიშალოს ისე, რომ უჯრედშიდა მასალა გამოთავისუფლდეს. ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევები კარგად არის ჩამოყალიბებული, როგორც უაღრესად საიმედო და ეფექტური ტექნიკა უჯრედების დაშლისა და ნაერთების განთავისუფლებისთვის.

მიკრობული უჯრედების ქარხნები არის მეტაბოლურად ინჟინერირებული უჯრედები, რომლებიც გამოიყენება სხვადასხვა ღირებული ნაერთების სინთეზისთვის. ულტრაბგერითი უჯრედების დარღვევა ეფექტური და საიმედო მეთოდია უჯრედის ინტერიერიდან ღირებული ნაერთების გასათავისუფლებლად.
შესწავლა და გრაფიკა: ©Villaverde, 2010 წ.

ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევების უპირატესობები

როგორც არათერმული, რბილი, მაგრამ ძალიან ეფექტური ტექნოლოგია, ულტრაბგერითი დამრღვევები გამოიყენება ლაბორატორიაში და მრეწველობაში უჯრედების ლიზისთვის და მაღალი ხარისხის ექსტრაქტების წარმოებისთვის, მაგალითად, გამოიყენება უჯრედული ქარხნებიდან მოლეკულების იზოლირებისთვის.

სიმძლავრე-ულტრაბგერა მიკრობული უჯრედების ქარხნების ეფექტური დარღვევისთვის

ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევების მექანიზმი და ეფექტები:
ულტრაბგერითი უჯრედების დაშლა გამოიყენა ულტრაბგერითი ტალღების ძალა. ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი / უჯრედის დამრღვევი აღჭურვილია ტიტანის შენადნობისგან დამზადებული ზონდით (აკა sonotrode), რომელიც რხევა მაღალი სიხშირით დაახლ. 20 kHz. ეს ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი ზონდი აერთებს 20000 ვიბრაციას წამში ხმოვან სითხეში. სითხეში შეერთებული ულტრაბგერითი ტალღები ხასიათდება მაღალი წნევის / დაბალი წნევის ციკლების მონაცვლეობით. დაბალი წნევის ციკლის დროს სითხე ფართოვდება და მცირე ვაკუუმის ბუშტები წარმოიქმნება. ეს ძალიან პატარა ბუშტები იზრდება რამდენიმე ალტერნატიული წნევის ციკლის განმავლობაში, სანამ ისინი ვერ შთანთქავენ შემდგომ ენერგიას. ამ დროს, კავიტაციის ბუშტები ძალადობრივად ფეთქდება და ადგილობრივად ქმნის არაჩვეულებრივ ენერგიით მკვრივ გარემოს. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც აკუსტიკური კავიტაცია და ხასიათდება ადგილობრივი ძალიან მაღალი ტემპერატურით, ძალიან მაღალი წნევით და ათვლის ძალებით. ეს ათვლის ძაბვები ეფექტურად ანადგურებს უჯრედის კედლებს და ზრდის მასის გადაცემას უჯრედის შიგთავსსა და მიმდებარე გამხსნელს შორის. როგორც წმინდა მექანიკური ტექნიკა, ფართოდ გამოიყენება ულტრაბგერითი წარმოქმნილი ათვლის ძალები და რეკომენდებული პროცედურა ბაქტერიული უჯრედების დარღვევისთვის, ასევე ცილების იზოლაციისთვის. როგორც უჯრედის დაშლის მარტივი და სწრაფი მეთოდი, სონიკა იდეალურია მცირე, საშუალო და დიდი მოცულობის იზოლირებისთვის. Hielscher-ის ციფრული ულტრაბგერითი აპარატები აღჭურვილია პარამეტრების მკაფიო მენიუთი ზუსტი ხმოვანი კონტროლისთვის. ყველა სონიკაციის მონაცემები ავტომატურად ინახება ჩაშენებულ SD-ბარათზე და უბრალოდ ხელმისაწვდომია. სითბოს გაფრქვევის დახვეწილი ვარიანტები, როგორიცაა გარე გაგრილება, გაჟონვა პულსის რეჟიმში და ა.შ. ულტრაბგერითი დაშლის პროცესის დროს, უზრუნველყოფს პროცესის იდეალური ტემპერატურის შენარჩუნებას და, შესაბამისად, მოპოვებული სითბოს მგრძნობიარე ნაერთების ხელუხლობას.

კვლევა ხაზს უსვამს ულტრაბგერითი უჯრედების მოშლისა და ექსტრაქციის ძლიერ მხარეებს

პროფ. ჩემატი და სხვ. (2017) თავის კვლევაში განაახლებს, რომ „ულტრაბგერითი მოპოვება არის მწვანე და ეკონომიკურად მომგებიანი ალტერნატივა საკვებისა და ბუნებრივი პროდუქტების ჩვეულებრივი ტექნიკისთვის. ძირითადი სარგებელი არის მოპოვების და დამუშავების დროის შემცირება, გამოყენებული ენერგიისა და გამხსნელების რაოდენობა, ერთეულის ოპერაციები და CO.₂ გამონაბოლქვი“.
გაბიგ-ციმინსკა და სხვ. (2014) გამოიყენეს მაღალი წნევის ჰომოგენიზატორი და ულტრაბგერითი უჯრედების დსინტეგრატორი თავიანთ კვლევაში სპორების ლიზისთვის დნმ-ის გამოთავისუფლების მიზნით. უჯრედების დარღვევის ორივე მეთოდის შედარებისას, მკვლევარები ასკვნიან, რომ სპორების დნმ-ის უჯრედების ლიზისთან დაკავშირებით, „ანალიზი გაკეთდა უჯრედების ლიზატების გამოყენებით მაღალი წნევის ჰომოგენიზაციის შედეგად. ამის შემდეგ, ჩვენ მივხვდით, რომ ულტრაბგერითი უჯრედების დარღვევას ამ მიზნით განსაკუთრებული უპირატესობები აქვს. ის საკმაოდ სწრაფია და შეიძლება დამუშავდეს მცირე ზომის ნიმუშისთვის. ” (გაბიგ-ციმინსკა და სხვ., 2014)

ბიომოლეკულები უჯრედული ქარხნებიდან საკვების წარმოებისთვის

მიკრობული უჯრედების ქარხნები წარმოადგენს სიცოცხლისუნარიან და ეფექტურ წარმოების მეთოდოლოგიას მიკროორგანიზმების გამოყენებით ადგილობრივი და არამშობლიური მეტაბოლიტების მაღალი მოსავლიანობის მისაღებად მიკრობული მიკროორგანიზმების მეტაბოლური ბიოინჟინერიით, როგორიცაა ბაქტერიები, საფუარები, სოკოები და ა.შ. მაგ. როგორც Aspergillus oryzae, სოკოები და ბაქტერიები. ეს ნაყარი ფერმენტები გამოიყენება საკვებისა და სასმელების წარმოებისთვის, ასევე სოფლის მეურნეობაში, ბიოენერგეტიკასა და საყოფაცხოვრებო მოვლაში.
ზოგიერთი ბაქტერია, როგორიცაა Acetobacter xylinum და Gluconacetobacter xylinus წარმოქმნის ცელულოზას ფერმენტაციის პროცესში, სადაც ნანობოჭკოები სინთეზირდება ქვემოდან ზევით პროცესში. ბაქტერიული ცელულოზა (ასევე ცნობილია როგორც მიკრობული ცელულოზა) ქიმიურად ექვივალენტურია მცენარეული ცელულოზას, მაგრამ მას აქვს მაღალი ხარისხის კრისტალურობა და მაღალი სისუფთავე (ლიგნინის, ჰემიცელულოზის, პექტინის და სხვა ბიოგენური კომპონენტების გარეშე), ასევე ცელულოზის ნანობოჭკოვანი უნიკალური სტრუქტურა. მოქსოვილი სამგანზომილებიანი (3D) ბადისებრი ქსელი. (შდრ. Zhong, 2020) მცენარეული წარმოშობის ცელულოზასთან შედარებით, ბაქტერიული ცელულოზა უფრო მდგრადია და წარმოებული ცელულოზა სუფთაა და არ საჭიროებს კომპლექსურ გამწმენდ ეტაპებს. ულტრაბგერითი და გამხსნელი მოპოვება NaOH ან SDS (ნატრიუმის დოდეცილ სულფატი) გამოყენებით ძალიან ეფექტურია ბაქტერიული უჯრედებიდან ბაქტერიული ცელულოზის იზოლირებისთვის.

ბიომოლეკულები უჯრედული ქარხნებიდან ფარმაცევტული და ვაქცინების წარმოებისთვის

უჯრედული ქარხნებიდან მიღებული ერთ-ერთი ყველაზე ცნობილი ფარმაცევტული პროდუქტია ადამიანის ინსულინი. ბიოინჟინერიული ინსულინის წარმოებისთვის გამოიყენება უპირატესად E. coli და Saccharomyces cerevisiae. ვინაიდან ბიოსინთეზირებული ნანო ზომის მოლეკულები გვთავაზობენ მაღალ ბიოთავსებადობას, ბიოლოგიური ნანონაწილაკები, როგორიცაა ფერიტინი, ხელსაყრელია მრავალი ბიოწარმოების გამოყენებისთვის. გარდა ამისა, მეტაბოლურად ინჟინერირებული მიკრობებში წარმოება ხშირად მნიშვნელოვნად უფრო ეფექტურია მიღებულ მოსავლიანობაში. მაგალითად, არტემიზინის მჟავას, რესვერატროლისა და ლიკოპენის წარმოება ათჯერ გაიზარდა რამდენიმე ასეულჯერ და უკვე დამკვიდრებულია ან ვითარდება ინდუსტრიული მასშტაბის წარმოებამდე. (შდრ. Liu et al.; Microb. Cell Fact. 2017)
მაგალითად, ცილაზე დაფუძნებული ნანო ზომის ბიომოლეკულები, რომლებსაც გააჩნიათ თვითშეკრების თვისებები, როგორიცაა ფერიტინი და ვირუსის მსგავსი ნაწილაკები, განსაკუთრებით საინტერესოა ვაქცინის შემუშავებისთვის, რადგან ისინი ბაძავენ პათოგენების ზომას და სტრუქტურას და ექვემდებარებიან ანტიგენების ზედაპირულ კონიუგაციას. ურთიერთქმედება იმუნურ უჯრედებთან. ასეთი მოლეკულები გამოხატულია ეგრეთ წოდებულ უჯრედულ ქარხნებში (მაგ., ინჟინერიული E. coli შტამები), რომლებიც წარმოქმნიან გარკვეულ სამიზნე მოლეკულას.

ულტრაბგერითი ლიზისის და E. coli BL21-ის პროტოკოლი ფერიტინის გამოთავისუფლებისთვის

ფერიტინი არის ცილა, რომლის ძირითადი ფუნქციაა რკინის შენახვა. ფერიტინი ავლენს პერსპექტიულ შესაძლებლობებს, როგორც თვითაწყობი ნანონაწილაკები ვაქცინებში, სადაც გამოიყენება ვაქცინის მიწოდების საშუალებად (მაგ. SARS-Cov-2 სპაიკ ცილები). მეცნიერული კვლევა Sun et. ალ. (2016) აჩვენებს, რომ რეკომბინანტული ფერიტინი შეიძლება გამოთავისუფლდეს როგორც ხსნადი ფორმა Escherichia coli-დან NaCl დაბალი კონცენტრაციით (≤50 მმოლ/ლ). E. coli BL21-ში ფერიტინის გამოხატვისა და ფერტინის გასათავისუფლებლად, წარმატებით იქნა გამოყენებული შემდეგი პროტოკოლი. რეკომბინანტული pET-28a/ფერიტინის პლაზმიდი გარდაიქმნა E coli BL21 (DE3) შტამად. ფერიტინ E coli BL21 (DE3) უჯრედები კულტივირებული იყო LB ზრდის მედიაში 0.5% კანამიცინით 37°C-ზე და ინდუცირებული იყო OD600 0.6-ზე 0.4% იზოპროპილ-β-D-თიოგალაქტოპირანოზიდით 3 საათის განმავლობაში 37°C-ზე. შემდეგ საბოლოო კულტურა აღებული იქნა ცენტრიფუგირებით 8000გრ-ზე 10 წუთის განმავლობაში 4°C-ზე და გრანულები შეგროვდა. შემდეგ, გრანულები ხელახლა შეჩერდა LB გარემოში (1% NaCl, 1% Typone, 0.5% საფუარის ექსტრაქტი)/ლიზის ბუფერში (20 მმოლ/ლ Tris, 50 მმოლ/ლ NaCl, 1 მმოლ/ლ EDTA, pH 7.6) და სხვადასხვა NaCl ხსნარის კონცენტრაციები (0, 50, 100, 170 და 300 მმოლ/ლ), შესაბამისად. ბაქტერიული უჯრედების ლიზისისთვის, სონიკაცია გამოიყენებოდა პულსის რეჟიმში: მაგ., გამოყენებით ულტრაბგერითიზატორი UP400St 100% ამპლიტუდაზე სამუშაო ციკლით 5 წამი ჩართული, 10 წამი გამორთვა, 40 ციკლისთვის) და შემდეგ ცენტრიფუგირება 10 000 გ-ზე 15 წუთის განმავლობაში 4°C-ზე. სუპერნატანტი და ნალექი გაანალიზდა ნატრიუმის დოდეცილ სულფატის პოლიაკრილამიდის გელის ელექტროფორეზით (SDS-PAGE). ნატრიუმის დოდეცილ სულფატით შეღებილი ყველა გელი სკანირებული იყო მაღალი გარჩევადობის სკანერით. გელის სურათები გაანალიზდა Magic Chemi 1D პროგრამული უზრუნველყოფის გამოყენებით. ოპტიმალური სიცხადისთვის, ცილის ზოლები გამოვლინდა პარამეტრების კორექტირებით. ზოლების მონაცემები გენერირებული იყო ტექნიკური სამეულიდან. (შდრ. Sun et al., 2016)

ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევები უჯრედის ქარხნების სამრეწველო ლიზისისთვის

ულტრაბგერითი ლიზისი და ექსტრაქცია არის საიმედო და კომფორტული მეთოდი უჯრედული ქარხნებიდან მეტაბოლიტების გასათავისუფლებლად, რაც ხელს უწყობს სამიზნე მოლეკულების ეფექტურ წარმოებას. ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევები ხელმისაწვდომია ლაბორატორიიდან სამრეწველო ზომებამდე და პროცესების მასშტაბირება შესაძლებელია მთლიანად ხაზოვანი.
Hielscher Ultrasonics არის თქვენი კომპეტენტური პარტნიორი მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი დამრღვევებისთვის და აქვს დიდი ხნის გამოცდილება ულტრაბგერითი სისტემების იმპლანტაციის სფეროში სკამზე და სამრეწველო პირობებში.
რაც შეეხება დახვეწილ აპარატურასა და პროგრამულ უზრუნველყოფას, Hielscher Ultrasonics უჯრედების შეფერხების სისტემები აკმაყოფილებს ყველა მოთხოვნას პროცესის ოპტიმალური კონტროლისთვის, მარტივი მუშაობისთვის და მომხმარებლისთვის მოსახერხებელი. Hielscher ულტრაბგერითი აპარატების მომხმარებლები და მომხმარებლები აფასებენ იმ სარგებელს, რაც Hielscher ულტრაბგერითი უჯრედების დამრღვევები და ექსტრაქტორები იძლევა პროცესის ზუსტი მონიტორინგისა და კონტროლის საშუალებას. – ციფრული სენსორული დისპლეით და ბრაუზერის დისტანციური მართვის საშუალებით. ყველა მნიშვნელოვანი ხმოვანი მონაცემები (მაგ. წმინდა ენერგია, მთლიანი ენერგია, ამპლიტუდა, ხანგრძლივობა, ტემპერატურა, წნევა) ავტომატურად ინახება როგორც CSV ფაილი ინტეგრირებულ SD ბარათზე. ეს ხელს უწყობს გამეორებადი და განმეორებადი შედეგების მიღებას და ხელს უწყობს პროცესის სტანდარტიზაციას, ასევე კარგი წარმოების პრაქტიკის (cGMP) შესრულებას.
რა თქმა უნდა, Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორები აშენებულია 24/7 მუშაობისთვის სრული დატვირთვით და, შესაბამისად, მათი საიმედოდ ფუნქციონირება შესაძლებელია სამრეწველო წარმოების პარამეტრებში. მაღალი გამძლეობისა და დაბალი მოვლის გამო, ულტრაბგერითი აღჭურვილობის შეფერხების დრო ნამდვილად დაბალია. CIP (სისუფთავე ადგილზე) და SIP (სტერილიზება ადგილზე) ფუნქციები ამცირებს შრომატევად წმენდას, განსაკუთრებით იმის გამო, რომ ყველა სველი ნაწილი არის გლუვი ლითონის ზედაპირი (არ აქვს ფარული ღიობები ან საქშენები).

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გაძლევთ ჩვენს ულტრასონისტების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს: