Biosynthetesch Produktioun vu Mënsch Milk Oligosacchariden
D'Biosynthese vu mënschleche Mëllech Oligosacchariden (HMOs) iwwer Fermentatioun oder enzymatesch Reaktiounen ass e komplexen, konsuméierende an dacks nidderegen Ausbezuelungsprozess. Ultrasonication erhéicht de Massentransfer tëscht Substrat an Zellfabriken an stimuléiert Zellwachstum a Metabolismus. Doduerch verstäerkt d'Sonicatioun d'Fermentatioun a biochemesch Prozesser, déi zu enger beschleunegter a méi effizienter Produktioun vun HMOs resultéieren.
Mënschlech Mëllech Oligosacchariden
Mënschlech Mëllech Oligosacchariden (HMOs), och bekannt als Mënsch Mëllech Glykanen, sinn Zockermoleküle, déi Deel vun der Oligosaccharide Grupp sinn. Prominent Beispiller vun HMOs enthalen 2'-Fukosyllactose (2′-FL), Lakto-N-neotetraose (LNnT), 3'-Galaktosyllactose (3)′-GL), an Difucosyllactose (DFL).
Wärend mënschlech Mammemëllech aus méi wéi verschiddene 150 HMO Strukturen zesummegesat ass, ginn nëmmen 2'-Fucosyllactose (2'-FL) a Lakto-N-Neotetraose (LNnT) am Moment op kommerziellen Niveau produzéiert an als Ernärungsadditive an der Puppelcherformel benotzt.
Mënschlech Mëllech Oligosacchariden (HMOs) si bekannt fir hir Bedeitung an der Baby-Ernährung. Mënschlech Mëllech Oligosacchariden sinn eng eenzegaarteg Aart vun Nährstoffer, déi als Prebiotik, anti-klebstoff Antimikrobial, an Immunmodulatoren am Darm vum Kand handelen a wesentlech zu der Gehirentwécklung bäidroen. HMOs sinn ausschliisslech an der mënschlecher Mammemëllech fonnt; aner Mamendéieren Mëllech (zB Kéi, Geess, Schof, Kamellen etc.) hunn net dës spezifesch Form vun Oligosacchariden.
Mënschlech Mëllech Oligosacchariden sinn déi drëtt heefegste feste Bestanddeel an der mënschlecher Mëllech, déi entweder a opgeléist oder emulgéiert oder suspendéiert Form am Waasser präsent ka sinn. Laktose a Fettsäuren sinn déi heefegst Feststoffer déi an der mënschlecher Mëllech fonnt ginn. HMOs sinn präsent an enger Konzentratioun vun 0,35-0,88 Unzen (9,9-24,9 g) / L. Ongeféier 200 strukturell verschidde mënschlech Mëllech Oligosaccharide sinn bekannt. Den dominante Oligosaccharid an 80% vun alle Fraen ass 2′- Fucosyllactose, déi an der mënschlecher Mammemëllech an enger Konzentratioun vu ronn 2,5 g / L präsent ass.
Well HMOs net verdaut ginn, droen se net kalorien zur Ernährung bäi. Als onverdaubar Kuelenhydrater funktionnéieren se als Prebiotika a gi selektiv fermentéiert duerch wënschenswäert Darmmikroflora, besonnesch Bifidobakterien.
- d'Entwécklung vu Puppelcher förderen
- si wichteg fir d'Entwécklung vum Gehir
- huet anti-inflammatoresch an
- anti-adhesive Effekter am Magen-Darmtrakt
- ënnerstëtzt den Immunsystem bei Erwuessener
Déi Ultraschallprozessor UIP2000hdT erhéicht Massentransfer an aktivéiert Zellfabriken fir méi héich Ausbezuele vu biosynthetiséierte biologesche Molekülle wéi HMOs
Biosynthese vu Mënsch Milk Oligosacchariden
Zellfabriken an enzymatesch / chemo-enzymatesch Systemer sinn aktuell Technologien déi fir d'Synthese vun HMOs benotzt ginn. Fir HMO Produktioun op industrieller Skala, d'Fermentatioun vu mikrobiellen Zellfabriken, biochemesch Synthese, a verschidde enzymatesch Reaktiounen si machbar Weeër fir HMO Bioproduktioun. Aus wirtschaftleche Grënn ass d'Bio-Synthese iwwer mikrobiellen Zellfabriken de Moment déi eenzeg Technik déi op industrieller Produktiounsniveau vun HMOs benotzt gëtt.
Fermentatioun vun HMOs mat Microbial Zell Fabriken
E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis sinn allgemeng benotzt Zellfabriken, déi fir d'Bioproduktioun vu biologesche Molekülle wéi HMOs benotzt ginn. Fermentatioun ass e biochemesche Prozess mat Mikroorganismen fir e Substrat an geziilt biologesch Moleküle ëmzewandelen. Mikrobiell Zellfabriken benotzen einfach Zucker als Substrat, déi se an HMOs ëmsetzen. Zënter einfachen Zucker (zB Laktose) e reichend, bëlleg Substrat sinn, hält dëst de Bio-Syntheseprozess kosteneffizient.
Wuesstum a Biokonversiounsquote ginn haaptsächlech beaflosst vum Massentransfer vun Nährstoffer (Substrat) un d'Mikroorganismen. D'Masstransferrate ass en Haaptfaktor deen d'Produktsynthese während der Fermentatioun beaflosst. Ultrasonication ass bekannt fir Massentransfer ze förderen.
Während der Fermentatioun mussen d'Konditiounen am Bioreaktor stänneg iwwerwaacht a geregelt ginn, fir datt d'Zellen sou séier wéi méiglech wuessen, fir dann déi gezielte Biomoleküle ze produzéieren (z.B. Oligosacchariden wéi HMOs; Insulin; rekombinant Proteinen). Theoretesch fänkt d'Produktbildung un soubal d'Zellkultur ufänkt ze wuessen. Awer besonnesch an genetesch modifizéierten Zellen wéi manipuléierte Mikroorganismen gëtt et normalerweis spéider induzéiert andeems eng chemesch Substanz zum Substrat bäigefüügt gëtt, wat den Ausdrock vun der geziilter Biomolekül upreguléiert. Ultraschall Bioreaktoren (Sono-Bioreaktor) kënne präzis kontrolléiert ginn an erlaben déi spezifesch Stimulatioun vu Mikroben. Dëst resultéiert zu enger beschleunegter Biosynthese a méi héije Rendementer.
Ultrasonic Lysis an Extraktioun: Fermentatioun vu komplexe HMOs kéint limitéiert ginn duerch niddereg Fermentatiounstiter a Produkter déi intrazellulär bleiwen. Ultrasonic Lysis an Extraktioun gëtt benotzt fir intrazellulärt Material ze befreien virun der Reinigung an Downstream Prozesser.
Ultraschall gefördert Fermentatioun
De Wuesstumsrate vu Mikroben wéi Escherichia coli, manipuléiert E.coli, Saccharomyces cerevisiae a Lactococcus lactis kënne beschleunegt ginn andeems d'Masstransferrate an d'Zellmauerpermeabilitéit erhéicht ginn andeems se kontrolléiert Low-Frequenz Ultraschall applizéieren. Als mëll, net-thermesch Veraarbechtungstechnik applizéiert d'Ultraschall reng mechanesch Kräften an d'Fermentatiounsbouillon.
Akustesch Kavitatioun: Den Aarbechtsprinzip vun der Sonikatioun baséiert op akustescher Kavitatioun. D'Ultraschallsonde (Sonotrode) koppelt niddereg-Frequenz Ultraschallwellen an d'Mëttel. D'Ultraschallwellen reesen duerch d'Flëssegkeet a kreéieren ofwiesselnd Héichdrock (Kompressioun) / Nidderdruck (Rarefaktioun) Zyklen. Andeems Dir d'Flëssegkeet an ofwiesselnd Zyklen kompriméiert an ausdehnt, entstinn Minutt Vakuumblasen. Dës kleng Vakuumblasen wuessen iwwer e puer Zyklen bis se eng Gréisst erreechen wou se keng weider Energie absorbéiere kënnen. Op dësem Punkt vum maximale Wuesstum implodéiert d'Vakuumblase gewalteg a generéiert lokal extrem Konditiounen, bekannt als de Phänomen vun der Kavitatioun. Am kavitationalen "Hot-Spot" kënnen Héichdrock- an Temperaturdifferenzen an intensiv Schéierkraaft mat Flëssegkeetsstrahlen vu bis zu 280m/s beobachtet ginn. Duerch dës kavitational Effekter gëtt grëndlech Massentransfer a Sonoporatioun (d'Perforatioun vun Zellmaueren an Zellmembranen) erreecht. D'Nährstoffer vum Substrat ginn an déi lieweg ganz Zellen schwammen, sou datt d'Zellfabriken optimal ernährt ginn an de Wuesstum souwéi d'Konversiounsraten beschleunegt ginn. Ultrasonic Bioreaktoren sinn eng einfach, awer héich effektiv Strategie fir Biomass an engem One-Pot Biosyntheseprozess ze veraarbecht.
Eng präzis kontrolléiert, mëll Sonikatioun ass bekannt fir Fermentatiounsprozesser ze verstäerken.
Sonication verbessert "d'Produktivitéit vu ville Bioprozesser, déi lieweg Zellen involvéieren, iwwer d'Verbesserung vun der Substrataufnahme, verstäerkte Produktioun oder Wuesstum duerch d'Erhéijung vun der Zellporositéit, a potenziell verstäerkter Verëffentlechung vun Zellkomponenten." (Naveena et al. 2015)
Liest méi iwwer Ultraschall-assistéiert Fermentatioun!
- Erhéicht Ausbezuele
- Beschleunegt Fermentatioun
- Zell-spezifesch Stimulatioun
- Erweidert Substrat Opname
- Erhéicht Zell Porositéit
- Einfach ze bedreiwen
- Sécher
- Einfach Retro-Fitting
- Linearer Skala-up
- Batch oder InIine Veraarbechtung
- Schnell ROI
Naveena et al. (2015) huet festgestallt datt d'Ultraschallverstäerkung verschidde Virdeeler während der Bioveraarbechtung ubitt, dorënner niddereg Operatiounskäschte am Verglach mat anere verstäerkte Behandlungsoptiounen, Einfachheet vun der Operatioun a bescheidener Kraaftfuerderunge.
De MultiSonoReactor MSR-4 ass en industriellen Inline Homogenisator gëeegent fir d'verbesserte Biosynthese vu Human Milk Oligosacchariden (HMO).
High-Performance Ultrasonic Fermentatiounsreaktoren
Fermentatiounsprozesser involvéieren lieweg Mikroorganismen wéi Bakterien oder Hef, déi als Zellfabriken funktionnéieren. Wärend d'Sonicatioun applizéiert gëtt fir Massentransfer ze förderen an de Wuesstum an d'Konversiounsquote vum Mikroorganismus ze erhéijen, ass et entscheedend fir d'Ultraschallintensitéit präzis ze kontrolléieren fir d'Zerstéierung vun den Zellfabriken ze vermeiden.
Hielscher Ultrasonics ass Spezialist am Design, Fabrikatioun a Verdeelung vun High-Performance Ultrasonicatoren, déi präzis kontrolléiert a iwwerwaacht kënne ginn fir super Fermentatiounsausgaben ze garantéieren.
Prozesskontrolle ass net nëmme wesentlech fir héich Ausbezuelen a super Qualitéit, awer erlaabt d'Resultater ze widderhuelen a reproduzéieren. Besonnesch wann et ëm d'Stimulatioun vun Zellfabriken geet, ass d'zellspezifesch Adaptatioun vun den Sonikatiounsparameter essentiell fir héich Ausbezuelen z'erreechen an d'Zelldegradatioun ze vermeiden. Dofir sinn all digital Modeller vun Hielscher Ultraschaller mat intelligenter Software ausgestatt, déi Iech erlaabt d'Sonicatiounsparameter unzepassen, iwwerwaachen an z'iwwerpréiwen. Ultraschallprozessparameter wéi Amplitude, Temperatur, Drock, Sonikatiounsdauer, Duty Cycles, an Energieinput si wesentlech fir d'HMO Produktioun iwwer Fermentatioun ze förderen.
Déi intelligent Software vun Hielscher Ultraschaller registréiert automatesch all wichteg Prozessparameter op der integréierter SD-Kaart. Déi automatesch Datenopnam vum Sonikatiounsprozess sinn d'Basis fir Prozessstandardiséierung a Reproduzibilitéit / Widderhuelbarkeet, déi fir Good Manufacturing Practices (GMP) erfuerderlech sinn.
Ultrasonic Rectors for Fermentation
Hielscher bitt Ultraschallsonden vu verschiddene Gréissten, Längt a Geometrien, déi fir Batch wéi och kontinuéierlech Flow-Through Behandlungen benotzt kënne ginn. Ultraschallreaktoren, och bekannt als Sono-Bioreaktoren, si verfügbar fir all Volumen, deen d'Ultraschallbioveraarbechtung vu klenge Labo Proben bis Pilot a voll kommerziell Produktiounsniveau deckt.
Et ass bekannt datt d'Plaz vun der Ultraschall-Sonotrode am Reaktiounsschëff d'Verdeelung vu Kavitatioun a Mikro-Streaming am Medium beaflosst. Sonotrode an Ultraschallreaktor sollten am Aklang mat dem Veraarbechtungsvolumen vun der Zellbouillon gewielt ginn. Wärend d'Sonicatioun a Batch wéi och am kontinuéierleche Modus ausgefouert ka ginn, fir héich Produktiounsvolumen ass d'Benotzung vun enger kontinuéierlecher Flowinstallatioun recommandéiert. Passéiert duerch eng Ultraschallflosszelle, kritt all Zellmedium genee déiselwecht Belaaschtung fir Sonikatioun, déi déi effektivst Behandlung garantéiert. Hielscher Ultrasonics breet Palette vun Ultraschallsonden a Flowzellreaktoren erlaabt den ideale Ultraschallbioveraarbechtungssetup ze sammelen.
Hielscher Ultrasonics – Vum Labo bis Pilot bis Produktioun
Hielscher Ultrasonics deckt de ganze Spektrum vun Ultraschallausrüstung ubitt kompakt handheld Ultraschallhomogenisatoren fir Probepräparatioun op Bench-Top- a Pilotsystemer wéi och mächteg industriell Ultraschall-Eenheeten, déi liicht Camionloads pro Stonn veraarbechten. Als versatile a flexibel an Installatiouns- a Montageoptiounen, Hielscher Ultraschaller kënnen einfach an all Zorte vu Batchreaktoren, Fed-Batches oder kontinuéierleche Flow-Through-Setups integréiert ginn.
Verschidde Accessoiren wéi och personaliséiert Deeler erlaaben déi ideal Adaptatioun vun Ärem Ultraschall-Setup un Äre Prozessfuerderunge.
Gebaut fir 24/7 Operatioun ënner voller Laascht a schwéier Pflicht an erfuerderlech Konditiounen, Hielscher Ultraschallprozessoren sinn zouverlässeg an erfuerderen nëmme wéineg Ënnerhalt.
D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller:
| Batch Volume | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500 ml | 10 bis 200 ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000 ml | 20 bis 400 ml/min | UP200Ht, UP 400 St |
| 0.1 bis 20L | 02 bis 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 l | 2 bis 10 l/min | UIP4000hdT |
| na | 10 bis 100 l/min | UIP16000 |
| na | méi grouss | Stärekoup vun UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Héich-Muecht ultrasonic homogenizers aus Labo zu pilot an industriell Skala.
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.
Fakten Worth Wëssen
Biosynthese mat Zellfabriken
Eng mikrobiell Zellfabrik ass eng Method vu Bioengineering, déi mikrobiell Zellen als Produktiounsanlag benotzt. Duerch genetesch Ingenieursmikroben gëtt d'DNA vu Mikroorganismen wéi Bakterien, Hefen, Pilze, Mamendéierenzellen oder Algen modifizéiert a Mikroben an Zellfabriken ëmgewandelt. Zellfabrike gi benotzt fir Substrate a wäertvoll biologesch Moleküle ëmzewandelen, déi zum Beispill a Liewensmëttel, Pharma, Chemie a Brennstoffproduktioun benotzt ginn. Verschidde Strategien vun der Zellfabrik-baséierter Biosynthese zielen op d'Produktioun vun gebiertege Metaboliten, Ausdrock vun heterologen biosyntheteschen Weeër oder Proteinausdrock.
Zellfabriken kënne benotzt ginn fir entweder gebierteg Metaboliten ze synthetiséieren, heterologe biosynthetesch Weeër auszedrécken oder Proteinen auszedrécken.
Biosynthese vun natierleche Metaboliten
Native Metaboliten ginn als biologesch Moleküle definéiert, déi d'Zellen, déi als Zellfabrik benotzt ginn, natierlech produzéieren. Zellfabriken produzéieren dës biologesch Moleküle entweder intrazellulär oder eng secretéiert Substanz. Déi lescht ass bevorzugt well et d'Trennung an d'Reinigung vun de gezielte Verbindungen erliichtert. Beispiller fir gebierteg Metaboliten sinn Amino- an Nukleinsäuren, Antibiotike, Vitamine, Enzyme, bioaktive Verbindungen, a Proteine produzéiert aus anabolesche Weeër vun der Zell.
Heterologus Biosynthetic Pathways
Wann Dir probéiert eng interessant Verbindung ze produzéieren, ass eng vun de wichtegsten Entscheedungen d'Wiel vun der Produktioun am gebiertege Host, an optiméiert dësen Host, oder Transfer vum Wee op en anere bekannte Host. Wann den ursprénglechen Host kann un en industrielle Fermentatiounsprozess ugepasst ginn, an et gi keng gesondheetlech Risiken dofir (zB Produktioun vun gëftege Nebenprodukter), kann dëst eng bevorzugt Strategie sinn (wéi de Fall war zB fir Penicillin ). Wéi och ëmmer, a ville modernen Fäll ass d'Potenzial fir eng industriell bevorzugt Zellfabrik a verbonne Plattformprozesser ze benotzen iwwer d'Schwieregkeet fir de Wee ze transferéieren.
Protein Ausdrock
Den Ausdrock vu Proteinen kann iwwer homolog an heterolog Manéier erreecht ginn. Am homologen Ausdrock gëtt e Gen dat natierlech an engem Organismus präsent ass iwwerausgedréckt. Duerch dës Iwwerausdrock kann e méi héije Rendement vun engem bestëmmte biologesche Molekül produzéiert ginn. Fir heterologen Ausdrock gëtt e spezifescht Gen an eng Hostzell transferéiert, sou datt de Gen net natierlech präsent ass. Mat Hëllef vun Zelltechnik a rekombinant DNA Technologie gëtt de Gen an d'DNA vum Host agebaut, sou datt d'Hostzell (grouss) Quantitéite vun engem Protein produzéiert deen se net natierlech géif produzéieren. Protein Ausdrock gëtt a verschiddene Hosten aus Bakterien gemaach, zB E. coli a Bacillis subtilis, Hefen, zB Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentöse Pilze, zB als A. niger, an Zellen ofgeleet vu multicellulären Organismen wéi z. wéi Mamendéieren an Insekten. Innummerous Proteine si vu grousse kommerziellen Interessi, ënner anerem vu Bulk Enzymen, komplexe Biopharmazeutika, Diagnostik a Fuerschungsreagenz. (cf. AM Davy et al. 2017)