Biosyntheetesch Produktioun vun Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech
D’Biosynthees vun Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech (HMOs) duerch Fermentatioun oder enzymatesch Reaktiounen ass e komplexen, opwennegen an dacks wéineg ergibegen Prozess. D’Ultraschallbehandlung erhéicht de Stofftransport tëscht dem Substrat an den Zellfabricken a stimuléiert den Zellwuesstem an de Metabolismus. Doduerch verstäerkt d’Ultraschallbehandlung d’Fermentatioun an déi biochemesch Prozesser, wat zu enger beschleunegter a méi effizienter Produktioun vun HMOs féiert.
Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech
Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech (HMOs), och als Glykaner aus mënschlecher Mammemëllech bekannt, sinn Zockermoleküllen, déi zu der Grupp vun den Oligosaccharide gehéieren. Bekannt Beispiller vun HMOs sinn 2’-Fucosyllaktos (2′-FL), Lakto-N-neotetraos (LNnT), 3’-Galaktosyllaktos (3′-GL) an Difucosyllaktos (DFL).
Wärend mënschlech Mammemëllech méi wéi 150 verschidden HMO-Strukturen enthält, ginn de Moment nëmmen 2′-Fucosyllaktos (2′-FL) a Lakto-N-neotetraos (LNnT) op kommerziellem Niveau produzéiert an als Närungszousätz a Säuglingsmëllechnahrung benotzt.
Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech (HMOs) si fir hir Bedeitung an der Ernärung vu Puppelcher bekannt. Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech sinn eng eenzegaarteg Zort Närstoffer, déi am Daarm vum Säugling als Prebiotiken, antiadhäsiv antimikrobiell Substanzen an Immunmodulatore wierken a wesentlech zur Entwécklung vum Gehier bäidroen. HMOs kommen ausschliisslech a mënschlecher Mammemëllech vir; d’Mëllech vun anere Mamendéieren (z. B. Kéi, Geessen, Schof, Kaméiler asw.) enthält dës spezifesch Form vun Oligosacchariden net.
Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech sinn deen drëttheefegste feste Bestanddeel vun der mënschlecher Mammemëllech a kënnen a Waasser entweder a opgeléister, emulgéierter oder suspendéierter Form virleien. Laktos a Fettsaieren sinn déi heefegst fest Bestanddeeler a mënschlecher Mammemëllech. HMOs leien an enger Konzentratioun vun 0,35–0,88 Onzen (9,9–24,9 g)/ L vir. Ongeféier 200 strukturell verschidden Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech si bekannt. Dat dominéierend Oligosaccharid bei 80% vun alle Fraen ass 2′-Fucosyllaktos, dat a mënschlecher Mammemëllech an enger Konzentratioun vun ongeféier 2,5 g/ L virkënnt.
Well HMOs net verdaut ginn, droe si keng Kalorien zur Ernärung bäi. Als onverdaubar Kuelenhydrater wierke si als Prebiotiken a gi selektiv vun der gewënschter Daarmmikroflora, besonnesch vu Bifidobakterien, fermentéiert.
- fërderen d’Entwécklung vu Säuglingen
- si wichteg fir d’Entwécklung vum Gehier
- hunn entzündungshemmend an
- antiadhäsiv Wierkungen am Mo-Daarm-Trakt
- ënnerstëtzen den Immunsystem bei Erwuessenen
Den Ultraschallprozessor UIP2000hdT erhéicht de Stofftransport an aktivéiert Zellfabricke fir méi héich Rendementer u biosyntheetesch hiergestallte biologesche Moleküllen ewéi HMOs
Biosynthees vun Oligosacchariden aus mënschlecher Mammemëllech
Zellfabricken an enzymatesch / chemoenzymatesch Systemer sinn aktuell Technologien, déi fir d’Synthees vun HMOs benotzt ginn. Fir d’Produktioun vun HMOs am industrielle Moossstaf sinn d’Fermentatioun vu mikrobiellen Zellfabricken, d’biochemesch Synthees a verschidden enzymatesch Reaktioune méiglech Weeër fir d’Bioproduktioun vun HMOs. Aus wirtschaftleche Grënn ass d’Biosynthees iwwer mikrobiell Zellfabricken de Moment déi eenzeg Technik, déi fir d’industriell Produktioun vun HMOs benotzt gëtt.
Fermentatioun vun HMOs mat mikrobiellen Zellfabricken
E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis sinn heefeg benotzten Zellfabricke fir d’Bioproduktioun vu biologesche Molekülle wéi HMOen. D’Fermentatioun ass e biochemesche Prozess, bei deem Mikroorganismen e Substrat a geziilt biologesch Moleküllen ëmwandelen. Mikrobiell Zellfabricke benotzen einfach Zockeren als Substrat, déi si an HMOen ëmwandelen. Well einfach Zockeren (z. B. Laktos) e räichlech disponibelt, bëllegt Substrat sinn, bleift de Biosynthesprozess käschteneffizient.
D’Wuesstems- an d’Biokonversiounsquot ginn haaptsächlech duerch de Stofftransport vun den Nährstoffer (Substrat) bei d’Mikroorganisme beaflosst. D’Stofftransportquot ass en Haaptfaktor, deen d’Produktsynthes wärend der Fermentatioun beaflosst. Et ass bekannt, datt d’Ultraschallbehandlung de Stofftransport fërdert.
Wärend der Fermentatioun mussen d’Bedéngungen am Bioreakter stänneg iwwerwaacht a gereegelt ginn, fir datt d’Zelle sou séier wéi méiglech wuesse kënnen, fir duerno déi geziilt Biomoleküllen ze produzéieren (z. B. Oligosaccharide wéi HMOen; Insulin; rekombinant Proteinnen). Theoreetesch fänkt d’Produktbildung un, soubal d’Zellkultur ufänkt ze wuessen. Besonnesch bei genetesch verännerten Zelle wéi biotechnologesch verännerten Mikroorganisme gëtt si awer normalerweis eréischt méi spéit ausgeléist, andeems eng cheemesch Substanz beim Substrat bäigefüügt gëtt, déi d’Expressioun vum geziilte Biomoleküll eropreegelt. Ultraschallbioreakteren (Sono-Bioreakteren) kënne präzis gesteiert ginn an erlaben eng geziilt Stimulatioun vu Mikroben. Dëst féiert zu enger beschleunegter Biosynthes a méi héijen Ausbezuelen.
Ultraschalllys an -extraktioun: D’Fermentatioun vu komplexen HMOe kéint duerch niddreg Fermentatiounstiteren a Produkter, déi an den Zelle bleiwen, begrenzt sinn. Ultraschalllys an -extraktioun gi benotzt, fir intrazelluläert Material virun der Rengegung an den nogelagerte Prozesser fräizesetzen.
Duerch Ultraschall gefërdert Fermentatioun
D’Wuesstemsquot vu Mikroben wéi Escherichia coli, biotechnologesch verännerten E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis kann duerch eng Erhéijung vun der Stofftransportquot an der Permeabilitéit vun der Zellwand mat enger kontrolléierter nidderfrequenter Ultraschallbehandlung beschleunegt ginn. Als douce, netthermesch Veraarbechtungstechnik bréngt d’Ultraschallbehandlung reng mechanesch Kräften an d’Fermentatiounsbréi an.
Akustesch Kavitatioun: D’Wierkungsprinzip vun der Ultraschallbehandlung baséiert op akustescher Kavitatioun. D’Ultraschallsond (Sonotrod) koppelt nidderfrequent Ultraschallwellen an d’Medium an. D’Ultraschallwelle breede sech duerch d’Flëssegkeet aus an erzeugen ofwiesselnd Héichdrockzyklen (Kompressioun) / Nidderdrockzyklen (Expansioun). Duerch d’Kompriméieren an d’Auserneenzéie vun der Flëssegkeet an ofwiesselnden Zyklen entsti winzeg Vakuumblosen. Dës kleng Vakuumblose wuessen iwwer e puer Zyklen, bis si eng Gréisst erreechen, bei där si keng weider Energie méi ophuele kënnen. Op dësem Punkt vum maximale Wuesstem implodéiert d’Vakuumblos hefteg an erzeugt lokal extrem Bedéngungen, déi als Kavitatiounsphenomeen bekannt sinn. Am „Hotspot“ vun der Kavitatioun kënnen héich Drock- an Temperaturdifferenzen an intensiv Schéierkräfte mat Flëssegkeetsstrale vu bis zu 280m/sec observéiert ginn. Duerch dës Kavitatiounseffekter ginn en intensive Stofftransport an eng Sonoporatioun (d’Perforatioun vun Zellwänn an Zellmembranen) erreecht. D’Nährstoffer vum Substrat gi bei déi lieweg, intakt Zellen an an hiren Interieur transportéiert, sou datt d’Zellfabricken optimal mat Nährstoffer versuergt ginn an d’Wuesstems- souwéi d’Ëmwandlungsquote beschleunegt ginn. Ultraschallbioreaktere sinn eng einfach, awer héichwierksam Strategie, fir Biomass an engem Eendëppe-Biosynthesprozess ze verschaffen.
Et ass bekannt, datt eng präzis gesteiert, douce Ultraschallbehandlung Fermentatiounsprozesser intensivéiert.
D’Ultraschallbehandlung verbessert „d’Produktivitéit vu ville Bioprozesser mat liewegen Zellen duerch eng verbessert Substratophuelung, eng verstäerkt Produktioun oder e verstäerkte Wuesstem duerch d’Erhéijung vun der Zellporositéit an eng potenziell verstäerkt Fräisetzung vun Zellbestanddeeler.“ (Naveena et al. 2015)
Liest méi iwwer ultraschallënnerstëtzt Fermentatioun!
- Méi héich Ausbezuel
- Beschleunegt Fermentatioun
- Zellspezifesch Stimulatioun
- Verbessert Substratopnam
- Erhéicht Zellporositéit
- Einfach ze bedéngen
- Sécher
- Einfach Norëschtung
- Linear Skaléierung
- Chargen- oder Inline-Veraarbechtung
- Séieren Investitiounsretour
Naveena et al. (2015) hu festgestallt, datt d’Intensivéierung duerch Ultraschall verschidde Virdeeler bei der Bioveraarbechtung bitt, dorënner niddreg Betribskäschten am Verglach mat anere Behandlungsoptioune fir d’Prozessverbesserung, eng einfach Bedéngung an e moderate Leeschtungsbedarf.
De MultiSonoReactor MSR-4 ass en industriellen Inline-Homogenisator, dee fir eng verbessert Biosynthes vun Oligosacchariden aus der Mënschemëllech (HMO) gëeegent ass.
Héichleeschtungsfäeg Ultraschall-Fermentatiounsreakteren
Bei Fermentatiounsprozesser gi lieweg Mikroorganismen ewéi Bakterien oder Hiefen agesat, déi als Zellfabricke funktionéieren. Wärend d’Ultraschallbehandlung agesat gëtt, fir de Stofftransport ze fërderen an de Wuesstem an d’Ëmwandlungsquot vun de Mikroorganismen ze erhéijen, ass et entscheedend, d’Ultraschallintensitéit genee ze kontrolléieren, fir d’Zerstéierung vun den Zellfabricken ze vermeiden.
Hielscher Ultrasonics ass spezialiséiert op d’Entwécklung, d’Hierstellung an de Verkaf vun héichleeschtungsfäegen Ultraschallapparater, déi sech genee steieren an iwwerwaache loossen, fir iwwerleeë Fermentatiounsausbezuelen ze garantéieren.
D’Prozesskontroll ass net nëmme wesentlech fir héich Ausbezuelen an iwwerleeë Qualitéit, mee erméiglecht et och, Resultater ze widderhuelen an ze reproduzéieren. Besonnesch bei der Stimulatioun vun Zellfabricken ass d’zellspezifesch Upassung vun den Ultraschallbehandlungsparameteren entscheedend, fir héich Ausbezuelen z’erreechen an den Zellofbau ze verhënneren. Dofir sinn all digital Modeller vun den Hielscher Ultraschallapparater mat intelligenter Software ausgestatt, déi Iech erlaabt, d’Ultraschallbehandlungsparameteren anzestellen, ze iwwerwaachen an ze iwwerschaffen. Ultraschallprozessparametere wéi Amplitüd, Temperatur, Drock, Behandlungsdauer, Aschaltzyklen an Energieandrag si wesentlech, fir d’HMO-Produktioun duerch Fermentatioun ze fërderen.
Déi intelligent Software vun den Hielscher Ultraschallapparater späichert automatesch all wichteg Prozessparameteren op der integréierter SD-Kaart. Déi automatesch Opzeechnung vun den Date vum Ultraschallbehandlungsprozess ass d’Grondlag fir d’Prozessstandardiséierung an d’Reproduzéierbarkeet / Widderhuelbarkeet, déi fir eng gutt Hierstellungspraxis (GMP) erfuerderlech sinn.
Ultraschallreaktere fir d’Fermentatioun
Hielscher bitt Ultraschallsonde mat ënnerschiddleche Gréissten, Längten a Geometrien un, déi souwuel fir Chargenbehandlungen ewéi och fir kontinuéierlech Duerchflossbehandlunge kënne benotzt ginn. Ultraschallreakteren, och Sono-Bioreaktere genannt, si fir all Volumen disponibel an decken d’Ultraschall-Bioveraarbechtung vu klenge Laborprouwe bis zur Pilotproduktioun an der Produktioun op voll kommerziellem Niveau of.
Et ass bekannt, datt d’Positioun vun der Ultraschallsonotrod am Reaktiounsgefääss d’Verdeelung vun der Kavitatioun an de Mikrostréimungen am Medium beaflosst. D’Sonotrod an den Ultraschallreakter sollen entspriechend dem Veraarbechtungsvolumen vun der Zellbritt ausgewielt ginn. Wärend d’Ultraschallbehandlung souwuel am Chargemodus ewéi och kontinuéierlech ka gemaach ginn, gëtt fir héich Produktiounsvolumenen den Asaz vun enger kontinuéierlecher Duerchflossanlag recommandéiert. Beim Duerchstréime vun enger Ultraschall-Duerchflosszell gëtt de gesamten Zellmedium genee därselwechter Ultraschallbehandlung ausgesat, wat déi wierksaamst Behandlung garantéiert. Déi breet Palette vun Ultraschallsonden an Duerchflosszellreaktere vun Hielscher Ultrasonics erlaabt et, déi ideal Anlag fir d’Ultraschall-Bioveraarbechtung zesummenzestellen.
Hielscher Ultrasonics – Vum Labo iwwer d’Pilotproduktioun bis zur Produktioun
Hielscher Ultrasonics deckt de ganze Spektrum vun Ultraschallgeräter of: vu kompakten handgehalenen Ultraschallhomogenisateure fir d’Proufvirbereedung iwwer Dësch- a Pilotanlagen bis zu leeschtungsstaarken industriellen Ultraschallanlagen, déi ouni Weideres Camionsluedunge pro Stonn verschaffen. Well d’Ultraschallgeräter vun Hielscher villsäiteg a flexibel Installatiouns- a Montageméiglechkeete bidden, kënne si einfach an all Zorte vu Chargereakteren, Fed-Batch-Systemer oder kontinuéierlechen Duerchflossanlagen integréiert ginn.
Verschidden Accessoiren a speziell ugepasst Deeler erméiglechen et, Är Ultraschallanlag optimal un Är Prozessufuerderungen unzepassen.
D’Ultraschallprozessoren vun Hielscher si fir de Betrib 24/7 ënner Volllaascht a fir schwéier Asätz ënner usprochsvolle Bedéngunge gebaut, sinn zouverlässeg a brauchen nëmme wéineg Ënnerhalt.
Déi follgend Tabell gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallgeräter:
| Chargevolumen | Duerchfloss | Recommandéiert Geräter |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Verbund vu UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!
Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure vum Labo- bis zum Pilot- an industrielle Moossstaf.
Literatur / Referenzen
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
Wëssenswäertes
Biosynthes mat Zellfabricken
Eng mikrobiell Zellfabrick ass eng Method vum Bioengineering, déi mikrobiell Zellen als Produktiounsanlag benotzt. Duerch gentechnesch Verännerunge vu Mikroben gëtt d’DNA vu Mikroorganisme wéi Bakterien, Hiefen, Pilzen, Mamendéierenzellen oder Alge verännert, soudatt d’Mikroben zu Zellfabricke ginn. Zellfabricke gi benotzt, fir Substrater a wäertvoll biologesch Moleküllen ëmzewandelen, déi z. B. an der Liewensmëttel-, Pharma-, Chimie- a Brennstoffproduktioun agesat ginn. Verschidde Strategie vun der Biosynthes mat Zellfabricken zilen op d’Produktioun vun natierleche Metabolitten, d’Expressioun vun heterologe Biosynthesweeër oder d’Proteinexpressioun of.
Zellfabricke kënne benotzt ginn, fir entweder natierlech Metabolitten ze synthetiséieren, heterolog Biosynthesweeër ze expriméieren oder Proteinnen ze expriméieren.
Biosynthes vun natierleche Metabolitten
Natierlech Metabolitte ginn als biologesch Moleküllen definéiert, déi vun den Zellen, déi als Zellfabrick agesat ginn, op natierlech Aart a Weis produzéiert ginn. Zellfabricke produzéieren dës biologesch Moleküllen entweder intrazellulär oder als ausgeschidde Substanz. Déi zweet Variant gëtt virgezunn, well si d’Trennung an d’Rengegung vun den Zilverbindungen erliichtert. Beispiller fir natierlech Metabolitte sinn Amino- an Nukleinsaieren, Antibioticken, Vitaminnen, Enzymer, bioaktiv Verbindungen a Proteinnen, déi iwwer anabolesch Stoffwiesselweeër vun der Zell produzéiert ginn.
Heterolog Biosynthesweeër
Wann een eng interessant Verbindung produzéiere wëllt, ass eng vun de wichtegsten Entscheedungen, ob een se am natierleche Wiert produzéiert an dëse Wiert optiméiert oder de Biosyntheswee op en anere gutt bekannte Wiert iwwerdréit. Wann den urspréngleche Wiert un en industrielle Fermentatiounsprozess ugepasst ka ginn an domat keng gesondheetlech Risike verbonne sinn (z. B. d’Produktioun vu gëftegen Nieweprodukter), kann dëst eng bevorzugt Strategie sinn (wéi dat z. B. beim Penicillin de Fall war). A ville moderne Fäll iwwerweit awer d’Potenzial vum Asaz vun enger industriell bevorzugter Zellfabrick an de verbonne Plattformprozesser d’Schwieregkeet, de Biosyntheswee ze iwwerdragen.
Proteinexpressioun
D’Expressioun vu Proteinne kann iwwer homolog an heterolog Weeër erreecht ginn. Bei der homologer Expressioun gëtt e Gen, dat natierlech an engem Organismus virkënnt, iwwerexpriméiert. Duerch dës Iwwerexpressioun kann eng méi héich Ausbeut vun engem bestëmmte biologesche Moleküll erreecht ginn. Fir d’heterolog Expressioun gëtt e spezifescht Gen an eng Wiertszell iwwerdroen, an där dëst Gen net natierlech virkënnt. Mat Hëllef vun Zellengineering a rekombinanter DNA-Technologie gëtt de Gen an d’DNA vum Wiert agebaut, sou datt d’Wiertszell (grouss) Quantitéite vun engem Protein produzéiert, dat si net natierlech produzéiere géif. D’Proteinexpressioun gëtt a verschiddene Wiertorganismen duerchgefouert, dorënner Bakterien, z. B. E. coli a Bacillis subtilis, Hiefen, z. B. Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentéis Pilzen, z. B. A. niger, an Zellen, déi vu méizellegen Organisme wéi Mamendéieren an Insekten ofstamen. Onzieleg Proteinne si vu groussem kommerziellen Interessi, dorënner Enzymer als Masseprodukter, komplex Biopharmazeutika, Diagnostika a Fuerschungsreagenzien. (cf. A.M. Davy et al. 2017)