Ultrasonic Lysis vu Bioengineered Zellen an der Industrieproduktioun

Bioengineered Bakterien Aarte wéi E. coli souwéi genetesch modifizéiert Mamendéieren a Planzenzellentypen gi wäit an der Biotechnologie benotzt fir Moleküle auszedrécken. Fir dës synthetiséiert Biomoleküle ze befreien, ass eng zouverlässeg Zellstéierungstechnik erfuerderlech. High-Performance Ultrasonication ass eng bewährte Method fir effizient an zouverléisseg Zelllysis – liicht skalierbar op grouss Débit. Hielscher Ultrasonics bitt Iech héich performant Ultraschallausrüstung fir effizient Zelllysis fir grouss Volumen vu héichqualitativen Biomolekülen ze produzéieren.

Extraktioun vu Molekülen aus Zellfabriken

Fir d'Produktioun vun enger breet Palette vu Biomoleküle kënne verschidde manipuléiert Mikroben a Planzenzellen als mikrobiellen Zellfabriken benotzt ginn, dorënner Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharoriemyces, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana an Algen, ënner vill anerer. Dës Zellfabriken kënnen Proteinen, Lipiden, Biochemikalien, Polymeren, Biokraftstoffer an Oleochemikalien produzéieren, déi als Liewensmëttel oder Rohmaterial fir industriell Uwendungen benotzt ginn. Zellen, déi als Zellfabriken benotzt ginn, ginn an zouenen Bioreaktoren kultivéiert, wou se héich Effizienz, Spezifizitéit an niddreg Energiefuerderunge erreechen.
Fir d'Zilmoleküle aus de bioengineeréierten Zellkulturen ze isoléieren, mussen d'Zellen gestéiert ginn, sou datt dat intrazellulärt Material fräigelooss gëtt. Ultraschall Zell Stéierungen si gutt etabléiert als héich zouverlässeg an effizient Technik fir Zell Zerfall a Verbindung Verëffentlechung.

Mikrobiell Zellfabriken si metabolesch konstruéiert Zellen, déi fir d'Synthese vu verschiddene wäertvolle Verbindungen benotzt ginn. Ultrasonic Zell Stéierung ass eng effizient an zouverlässeg Method fir déi wäertvoll Verbindungen aus dem Zellinterieur ze befreien.
Studie a Grafik: ©Villaverde, 2010.

Virdeeler vun Ultrasonic Zell Disruptoren

Als net-thermesch, mëll, awer héich effizient Technologie ginn Ultraschallstéierer am Labo an der Industrie benotzt fir Zellen ze lyséieren an héichqualitativ Extrakten ze produzéieren, zB fir d'Isolatioun vu Moleküle aus Zellfabriken benotzt.

Power-Ultraschall fir effizient Stéierung vu mikrobiellen Zellfabriken

Mechanismus an Effekter vun Ultrasonic Zell Disruptoren:
Ultraschallzellstéierung huet d'Kraaft vun Ultraschallwellen benotzt. Den Ultraschallhomogenisator / Zellstéierer ass mat enger Sonde (aka Sonotrode) aus Titanlegierung ausgestatt, déi mat enger héijer Frequenz vun ca. 20 kHz. Dëst bedeit datt d'Ultraschallsonde 20.000 Schwéngungen pro Sekonn an déi sonikéiert Flëssegkeet koppelt. D'Ultraschallwellen, déi an d'Flëssegkeet gekoppelt sinn, si charakteriséiert duerch alternéierend Héichdrock- / Nidderdrockzyklen. Wärend engem nidderegen Drockzyklus erweidert d'Flëssegkeet a Minutt Vakuumblasen entstinn. Dës ganz kleng Blasen wuessen iwwer e puer ofwiesselnd Drockzyklen bis se keng weider Energie absorbéieren. Zu dësem Zäitpunkt implodéieren d'Kavitatiounsblasen hefteg a kreéieren lokal en aussergewéinlecht energiedicht Ëmfeld. Dëst Phänomen ass bekannt als akustesch Kavitatioun a zeechent sech duerch lokal ganz héich Temperaturen, ganz héijen Drock a Schéierkraaft. Dës Schéierspannungen briechen effizient Zellmaueren a erhéijen d'Masstransfer tëscht dem Zellinterieur an dem Ëmgéigend Léisungsmëttel. Als reng mechanesch Technik, ultraschall generéiert Schéier Kräften sinn wäit benotzt an der recommandéiert Prozedur fir bakteriell Zell Stéierungen, wéi och fir Protein Isolatioun. Als einfach a séier Zell Stéierungsmethod ass d'Sonication ideal fir d'Isolatioun vu klengen, mëttel- a grousse Volumen. Hielscher's digital Ultraschaller si mat engem klore Menü vun Astellunge fir präzis Sonikatiounskontroll ausgestatt. All sonication Daten ginn automatesch op enger agebauter SD-Kaart gespäichert a sinn einfach zougänglech. Raffinéiert Optiounen vun der Wärmevergëftung wéi extern Ofkillung, Sonikatioun am Pulsmodus etc.

Fuerschung ënnersträicht d'Stäerkten vun Ultraschallzell Stéierungen an Extraktioun

Prof. Chemat et al. (2017) widderhëlt an hirer Etude datt "Ultraschall-assistéiert Extraktioun eng gréng a wirtschaftlech viabel Alternativ zu konventionellen Techniken fir Liewensmëttel an natierlech Produkter ass. D'Haaptvirdeeler sinn Ofsenkung vun der Extraktioun an der Veraarbechtungszäit, d'Quantitéit un Energie a Léisungsmëttel benotzt, Eenheet Operatiounen, a CO2₂ Emissiounen."
Gabig-Ciminska et al. (2014) benotzt en Héichdrockhomogenisator an en Ultraschallzell-Dsintegrator an hirer Studie fir d'Lyse vu Spore fir DNA ze befreien. Vergläicht béid Zell Stéierungsmethoden, schléisst d'Fuerschungsteam of, wat d'Zelllysis fir Spore DNA ugeet, "Analyse gouf gemaach andeems se Zelllysate vun der Héichdrockhomogeniséierung benotzt hunn. Duerno hu mir gemierkt datt eng Ultraschallzellstéierung aussergewéinlech Virdeeler fir dësen Zweck huet. Et ass zimlech séier a ka fir kleng Probevolumen veraarbecht ginn. (Gabig-Ciminska et al., 2014)

Biomoleküle aus Zellfabriken fir Liewensmëttelproduktioun

Mikrobiell Zellfabriken sinn eng liewensfäeg an effizient Produktiounsmethodologie déi mikrobiell Organismen benotzt fir héich Ausbezuele vun gebierteg an net-gebierteg Metaboliten ze produzéieren duerch metabolesch Bioengineering vu mikrobiellen Mikroorganismen wéi Bakterien, Hefen, Pilze etc. Bulk Enzyme ginn zum Beispill mat Mikroorganismen produzéiert wéi Aspergillus oryzae, Pilze a Bakterien. Dës Bulk-Enzyme gi fir Liewensmëttel- a Gedrénksproduktioun benotzt, souwéi an der Landwirtschaft, Bioenergie an Haushaltsversuergung.
Bestëmmte Bakterien wéi Acetobacter xylinum a Gluconacetobacter xylinus produzéieren Cellulose wärend der Fermentatiounsprozess, wou Nanofaser an engem Bottom-up Prozess synthetiséiert ginn. Bakteriell Cellulose (och bekannt als mikrobiell Cellulose) ass chemesch gläichwäerteg mat Planzzellulose, awer et huet en héije Grad vu Kristallinitéit an héich Rengheet (fräi vu Lignin, Hemicellulose, Pektin, an aner biogene Komponenten) souwéi eng eenzegaarteg Struktur vu Cellulose Nanofiber- weave dräi-zweedimensional (3D) reticulated Reseau. (cf. Zhong, 2020) Am Verglach mat Planz-ofgeleet Cellulose ass bakteriell Cellulose méi nohalteg an déi produzéiert Zellulose ass pur, erfuerdert net komplex Reinigungsschrëtt. Ultrasonication a Léisungsmëttelextraktioun mat NaOH oder SDS (Natriumdodecylsulfat) si ganz effektiv fir d'Isolatioun vu bakteriellen Cellulose aus de Bakterienzellen.

Biomoleküle vun Zellfabriken fir Pharmazeutesch an Impfungsproduktioun

Ee vun de prominentsten pharmazeuteschen Produkter aus Zellfabriken ofgeleet ass mënschlecht Insulin. Fir biomanipuléiert Insulinproduktioun ginn haaptsächlech E. coli a Saccharomyces cerevisiae benotzt. Zënter biosynthetiséierte Nano-Gréisst Moleküle eng héich Biokompatibilitéit ubidden, si biologesch Nanopartikele wéi Ferritin avantagéis fir vill Biofabrikatiounsapplikatiounen. Zousätzlech ass d'Produktioun a metabolesch manipuléierte Mikroben dacks wesentlech méi effizient an de kritt Ausbezuelen. Zum Beispill ass d'Produktioun vun Artemisinsäure, Resveratrol a Lycopen zéngfach op e puer honnertfach eropgaang, an ass scho etabléiert oder ass an der Entwécklung fir industriell Skala Produktioun. (cf. Liu et al.; Microb. Cell Fact. 2017)
Zum Beispill, Protein-baséiert Nano-Gréisst Biomoleküle mat selbstversammlungseigenschaften wéi Ferritin a virusähnleche Partikel si besonnesch interessant fir Impfungentwécklung well se souwuel d'Gréisst an d'Struktur vu Pathogenen mimikéieren a sinn empfindlech fir Uewerflächekonjugatioun vun Antigenen ze förderen. Interaktioun mat Immunzellen. Esou Molekülle ginn a sougenannten Zellfabriken ausgedréckt (zB manipuléierte E. coli Stämme), déi e bestëmmten Zilmolekül produzéieren.

Protokoll fir Ultraschall Lysis a vun E. coli BL21 fir Ferritin Release

Ferritin ass e Protein, deem seng primär Funktioun d'Lagerung vun Eisen ass. Ferritin weist villverspriechend Fäegkeeten als selbstmontéierend Nanopartikel an Impfungen, wou et als Impfstoff Liwwerung Gefier benotzt gëtt (zB SARS-Cov-2 Spike Proteinen). Déi wëssenschaftlech Fuerschung vu Sun et. al. (2016) weist datt rekombinant Ferritin als soluble Form aus Escherichia coli bei nidderegen NaCl Konzentratioune (≤50 mmol/L) fräigelooss ka ginn. Fir Ferritin an E. coli BL21 auszedrécken an de Ferrtin ze befreien, gouf de folgende Protokoll erfollegräich applizéiert. D'recombinant pET-28a /ferritin plasmid war an der E coli BL21 (DE3) Deformatioun transforméiert. D'ferritin E coli BL21 (DE3) Zellen sech zu LB Wuesstem Medien mat 0,5% kanamycin bei 37 ° C cultured an entschlof bei engem OD600 vun 0,6 mat 0,4% isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside fir 3 Stonnen bei 37 ° C. D'Finale Kultur gouf dann duerch Zentrifugatioun bei 8000g fir 10 Minutten bei 4 ° C gesammelt, an de Pellet gouf gesammelt. Duerno gouf de Pellet am LB Medium (1% NaCl, 1% Typone, 0,5% Hefextrakt)/Lysisbuffer (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7,6) a verschidde Konzentratioune vun der NaCl Léisung (0, 50, 100, 170, respektiv 300 mmol/L). Fir bakteriell Zell lysis, sonication war am Pulsatiounsperiod Modus applizéiert: zB mat der Ultrasonicator UP400St bei 100% Amplitude mat engem Duty Cycle vun 5 Sekonnen ON, 10 Sekonnen OFF, fir 40 Zyklen) an dann centrifugéiert bei 10 000g fir 15 Minutten bei 4 ° C. De Supernatant an de Nidderschlag goufen duerch Natriumdodecylsulfat Polyacrylamidgel Elektrophorese (SDS-PAGE) analyséiert. All Natrium dodecyl sulfate-gefiermt gels sech mat héich-Resolutioun Scanner gescannt. Gel Biller goufen mat Magic Chemi 1D Software analyséiert. Fir optimal Kloerheet goufen Proteinbänner festgestallt andeems Parameteren ugepasst goufen. D'Donnéeën fir d'Bands goufen aus techneschen Triplicaten generéiert. (cf. Sonn et al., 2016)

Ultraschall Zell Stéierungen fir industriell Lysis vun Zell Fabriken

Ultrasonic Lysis an Extraktioun ass eng zouverlässeg a komfortabel Method fir Metaboliten aus Zellfabriken ze befreien an doduerch eng efficace Produktioun vun Zilmoleküle ze hëllefen. Ultraschallzellstéierer sinn aus Labo bis industriell Gréisst verfügbar a Prozesser kënne komplett linear skaléiert ginn.
Hielscher Ultrasonics ass Äre kompetente Partner fir High-Performance Ultrasonic Disruptoren an huet laangjäreg Erfahrung am Beräich vun der Implantatioun vun Ultraschallsystemer an Bench-Top an industriellen Astellungen.
Wann et ëm sophistikéiert Hardware a Software geet, erfëllt Hielscher Ultrasonics Zell Stéierungssystemer all Ufuerderunge fir eng optimal Prozesskontrolle, einfach Operatioun a Benotzerfrëndlechkeet. Clienten a Benotzer vun Hielscher Ultraschaller schätzen de Benefice datt Hielscher Ultraschallzellstéierer an Extraktoren déi präzis Prozess Iwwerwaachung a Kontroll erlaben – iwwer digital Touch Display a Browser Fernsteierung. All wichteg Sonikatiounsdaten (zB Nettenergie, Gesamtenergie, Amplitude, Dauer, Temperatur, Drock) ginn automatesch als CSV-Datei op enger integréierter SD-Kaart gespäichert. Dëst hëlleft reproduzéierbar a widderholl Resultater ze kréien an erliichtert Prozessstandardiséierung souwéi d'Erfëllung vu Good Manufacturing Practices (cGMP).
Natierlech sinn Hielscher Ultraschallprozessoren fir 24/7 Operatioun ënner voller Laascht gebaut a kënnen dofir zouverlässeg an industrielle Produktiounsastellungen operéiert ginn. Wéinst der héijer Robustheet a gerénger Ënnerhalt ass d'Downtime vun der Ultraschallausrüstung wierklech niddereg. CIP (propper-an-Plaz) a SIP (sterilize-an-Plaz) Fonctiounen minimiséieren ustrengend Botzen, virun allem well all naass Deeler glat Metal Fläch sinn (keng verstoppt orifices oder nozzles).

D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller: