모유 올리고당의 생합성 생산

발효 또는 효소 반응을 통한 모유 올리고당(HMOs)의 생합성은 복잡하고 소모가 많으며 수율이 낮은 경우가 많은 공정입니다. 초음파 처리는 기질과 세포 공장 사이의 물질 전달을 증가시키고 세포 성장과 대사를 촉진합니다. 이로써 초음파 처리는 발효와 생화학적 공정을 강화하여 HMO 생산을 가속하고 효율을 높입니다.

모유 올리고당

모유 글리칸이라고도 하는 모유 올리고당(HMOs)은 올리고당군에 속하는 당 분자입니다. 대표적인 HMO로는 2’-푸코실락토스(2′-FL), 락토-N-네오테트라오스(LNnT), 3’-갈락토실락토스(3′-GL), 디푸코실락토스(DFL)가 있습니다.
모유에는 서로 다른 구조의 HMO가 150종 넘게 포함되어 있지만, 현재 상업적 규모로 생산되어 영아용 조제분유의 영양 첨가제로 사용되는 것은 2′-푸코실락토스(2′-FL)와 락토-N-네오테트라오스(LNnT)뿐입니다.
모유 올리고당(HMOs)은 영아 영양에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있습니다. 모유 올리고당은 영아의 장내에서 프리바이오틱스, 부착 억제 항균 물질 및 면역 조절제로 작용하며 뇌 발달에 크게 기여하는 고유한 유형의 영양소입니다. HMO는 사람의 모유에서만 발견되며, 다른 포유류의 젖(예: 소, 염소, 양, 낙타 등)에는 이러한 특정 형태의 올리고당이 없습니다.
모유 올리고당은 모유에서 세 번째로 풍부한 고형 성분으로, 물에 용해되거나 유화 또는 현탁된 형태로 존재할 수 있습니다. 유당과 지방산은 모유에서 가장 풍부한 고형 성분입니다. HMO는 0.35–0.88 온스(9.9–24.9 g)/ L의 농도로 존재합니다. 구조가 서로 다른 모유 올리고당은 약 200종이 알려져 있습니다. 전체 여성의 80%에서 가장 우세한 올리고당은 2′-푸코실락토스이며, 모유에 약 2.5 g/ L의 농도로 존재합니다.
HMO는 소화되지 않으므로 영양 공급 시 열량에 기여하지 않습니다. 소화되지 않는 탄수화물인 HMO는 프리바이오틱스로 작용하며 유익한 장내 미생물, 특히 비피도박테리아에 의해 선택적으로 발효됩니다.

모유 올리고당의 생합성

세포 공장과 효소 / 화학효소 시스템은 현재 HMO 합성에 사용되는 기술입니다. 산업적 규모의 HMO 생산에서는 미생물 세포 공장을 이용한 발효, 생화학적 합성 및 다양한 효소 반응이 HMO의 생물학적 생산을 위한 실현 가능한 방법입니다. 경제적인 이유로 현재 산업적 규모의 HMO 생산에 사용되는 유일한 기법은 미생물 세포 공장을 통한 생합성입니다.

미생물 세포 공장을 이용한 HMO 발효

E.coli, Saccharomyces cerevisiae 및 Lactococcus lactis는 HMO와 같은 생체 분자의 생물학적 생산에 흔히 사용되는 세포 공장입니다. 발효는 미생물을 이용하여 기질을 목표 생체 분자로 전환하는 생화학적 공정입니다. 미생물 세포 공장은 단순당을 기질로 사용하여 HMO로 전환합니다. 단순당(예: 유당)은 풍부하고 저렴한 기질이므로 생합성 공정의 비용 효율성을 유지할 수 있습니다.
성장률과 생물전환율은 주로 영양분(기질)이 미생물로 전달되는 물질 전달의 영향을 받습니다. 물질 전달 속도는 발효 중 생성물 합성에 영향을 미치는 주요 요인입니다. 초음파 처리는 물질 전달을 촉진하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
발효 중에는 세포가 가능한 한 빠르게 성장한 후 목표 생체 분자(예: HMO와 같은 올리고당, 인슐린, 재조합 단백질)를 생산할 수 있도록 생물반응기 내부 조건을 지속적으로 모니터링하고 조절해야 합니다. 이론적으로 생성물 형성은 배양 세포가 성장하기 시작하는 즉시 시작됩니다. 그러나 특히 유전공학적으로 개량된 미생물과 같은 유전자 변형 세포에서는 일반적으로 나중에 기질에 화학 물질을 첨가하여 목표 생체 분자의 발현을 상향 조절함으로써 생성물 형성을 유도합니다. 초음파 생물반응기(소노 생물반응기)는 정밀하게 제어할 수 있으며 미생물에 특정한 자극을 가할 수 있습니다. 그 결과 생합성이 가속화되고 수율이 높아집니다.
초음파 세포 용해 및 추출: 복잡한 HMO의 발효는 낮은 발효 역가와 세포 내에 잔류하는 생성물로 인해 제한될 수 있습니다. 초음파 세포 용해 및 추출은 정제 및 후속 공정에 앞서 세포 내 물질을 방출하는 데 사용됩니다.

초음파로 촉진하는 발효

제어된 저주파 초음파 처리를 적용하여 물질 전달 속도와 세포벽 투과성을 높이면 Escherichia coli, 유전공학적으로 개량된 E.coli, Saccharomyces cerevisiae 및 Lactococcus lactis와 같은 미생물의 성장률을 높일 수 있습니다. 초음파 처리는 온화한 비열 처리 기술로서 발효액에 순수하게 기계적인 힘을 가합니다.
음향 캐비테이션: 초음파 처리의 작동 원리는 음향 캐비테이션에 기반합니다. 초음파 프로브(소노트로드)는 저주파 초음파를 매질에 전달합니다. 초음파는 액체를 통과하면서 고압(압축) / 저압(희박) 주기를 교대로 생성합니다. 액체가 교대로 반복되는 주기 동안 압축되고 늘어나면서 미세한 진공 기포가 발생합니다. 이 작은 진공 기포는 여러 주기에 걸쳐 성장하다가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 크기에 도달합니다. 성장이 최대에 이르는 이 시점에서 진공 기포는 격렬하게 내파하며 국소적으로 극한 조건을 생성하는데, 이를 캐비테이션 현상이라고 합니다. 캐비테이션의 “핫스폿”에서는 높은 압력차와 온도차, 그리고 최대 280m/sec의 액체 제트를 동반하는 강력한 전단력을 관찰할 수 있습니다. 이러한 캐비테이션 효과로 철저한 물질 전달과 초음파 천공(세포벽과 세포막에 구멍이 형성되는 현상)이 이루어집니다. 기질의 영양분은 살아 있는 온전한 세포의 표면과 내부로 운반되어 세포 공장에 최적의 영양을 공급하고 성장률과 전환율을 높입니다. 초음파 생물반응기는 단일 용기 생합성 공정에서 바이오매스를 처리하는 간단하면서도 매우 효과적인 전략입니다.
정밀하게 제어된 온화한 초음파 처리는 발효 공정을 강화하는 것으로 잘 알려져 있습니다.
초음파 처리는 “기질 흡수 증진, 세포 다공성 증가에 따른 생산 또는 성장 증진, 그리고 잠재적인 세포 성분 방출 증진을 통해 살아 있는 세포가 관여하는 다양한 생물공정의 생산성”을 향상시킵니다. (Naveena et al. 2015)
초음파 보조 발효에 대해 자세히 알아보세요!

Naveena 등(2015)은 초음파를 통한 공정 강화가 생물공정에서 다른 공정 향상 처리 방법에 비해 낮은 운영 비용, 간편한 조작, 적은 전력 요구량 등 여러 이점을 제공한다는 사실을 확인했습니다.

고성능 초음파 발효 반응기

발효 공정에는 세포 공장으로 기능하는 세균이나 효모 등의 살아 있는 미생물이 관여합니다. 물질 전달을 촉진하고 미생물의 성장 속도와 전환율을 높이기 위해 초음파 처리를 적용할 때는 세포 공장이 파괴되지 않도록 초음파 강도를 정밀하게 제어하는 것이 매우 중요합니다.
Hielscher Ultrasonics는 우수한 발효 수율을 보장하도록 정밀하게 제어하고 모니터링할 수 있는 고성능 초음파 처리기의 설계, 제조 및 유통을 전문으로 합니다.

공정 제어는 높은 수율과 우수한 품질을 위해 필수적일 뿐만 아니라 결과를 반복하고 재현할 수 있게 합니다. 특히 세포 공장을 자극할 때는 높은 수율을 달성하고 세포 분해를 방지하기 위해 초음파 처리 매개변수를 세포별로 조정하는 것이 필수적입니다. 따라서 Hielscher 초음파 처리기의 모든 디지털 모델에는 초음파 처리 매개변수를 조정, 모니터링 및 수정할 수 있는 지능형 소프트웨어가 탑재되어 있습니다. 진폭, 온도, 압력, 초음파 처리 시간, 듀티 사이클 및 에너지 투입량과 같은 초음파 공정 매개변수는 발효를 통한 HMO 생산을 촉진하는 데 필수적입니다.
Hielscher 초음파 처리기의 스마트 소프트웨어는 모든 주요 공정 매개변수를 내장 SD 카드에 자동으로 기록합니다. 초음파 처리 공정의 자동 데이터 기록은 우수 제조 관리 기준(GMP)에서 요구하는 공정 표준화와 재현성 / 반복성의 토대가 됩니다.

발효용 초음파 반응기

Hielscher는 배치 처리뿐만 아니라 연속 통과식 처리에도 사용할 수 있는 다양한 크기, 길이 및 형상의 초음파 프로브를 제공합니다. 초음파 생물반응기라고도 하는 초음파 반응기는 소량의 실험실 시료부터 파일럿 및 완전한 상업 생산 규모까지 초음파 생물공정의 모든 부피에 맞게 제공됩니다.
반응 용기 내 초음파 소노트로드의 위치가 매질 내 캐비테이션과 미세 유동의 분포에 영향을 미친다는 사실은 잘 알려져 있습니다. 소노트로드와 초음파 반응기는 세포 배양액의 처리 부피에 맞게 선택해야 합니다. 초음파 처리는 배치 모드와 연속 모드 모두에서 수행할 수 있지만, 생산량이 많을 때는 연속 흐름 설비를 사용하는 것이 권장됩니다. 초음파 플로우 셀을 통과하는 모든 세포 배양 배지는 정확히 동일하게 초음파에 노출되므로 가장 효과적인 처리가 보장됩니다. Hielscher Ultrasonics의 폭넓은 초음파 프로브 및 플로우 셀 반응기 제품군을 통해 이상적인 초음파 생물공정 시스템을 구성할 수 있습니다.

Hielscher Ultrasonics – 실험실에서 파일럿을 거쳐 생산까지

Hielscher Ultrasonics는 시료 전처리용 소형 휴대형 초음파 균질기부터 탁상형 및 파일럿 시스템, 시간당 트럭 여러 대 분량을 손쉽게 처리하는 강력한 산업용 초음파 장치까지 초음파 장비의 전체 범위를 제공합니다. 설치 및 장착 옵션이 다양하고 유연한 Hielscher 초음파 장치는 모든 종류의 배치 반응기, 유가식 배치 또는 연속 통과식 시스템에 손쉽게 통합할 수 있습니다.
다양한 액세서리와 맞춤형 부품을 통해 초음파 시스템을 공정 요구 사항에 이상적으로 맞출 수 있습니다.
까다로운 조건에서 전부하 및 고강도 작업으로 24/7 가동하도록 제작된 Hielscher 초음파 프로세서는 신뢰성이 높고 유지보수가 적게 필요합니다.
아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다: