Cilvēka piena oligosaharīdu biosintētiskā ražošana

Cilvēka piena oligosaharīdu (HMO) biosintēze fermentācijas vai enzimātisku reakciju ceļā ir sarežģīts, resursietilpīgs process, kurā bieži iegūst zemu iznākumu. Apstrāde ar ultraskaņu palielina masas pārnesi starp substrātu un šūnu fabrikām un stimulē šūnu augšanu un vielmaiņu. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu intensificē fermentāciju un bioķīmiskos procesus, nodrošinot ātrāku un efektīvāku HMO ražošanu.

Cilvēka piena oligosaharīdi

Cilvēka piena oligosaharīdi (HMO), kas pazīstami arī kā cilvēka piena glikāni, ir cukuru molekulas, kas pieder oligosaharīdu grupai. Pazīstami HMO piemēri ir 2’-fukozillaktoze (2′-FL), lakto-N-neotetraoze (LNnT), 3’-galaktozillaktoze (3′-GL) un difukozillaktoze (DFL).
Lai gan cilvēka mātes pienā ir vairāk nekā 150 dažādu HMO struktūru, pašlaik komerciālā mērogā ražo un kā uztura piedevas mākslīgajos piena maisījumos zīdaiņiem izmanto tikai 2′-fukozillaktozi (2′-FL) un lakto-N-neotetraozi (LNnT).
Cilvēka piena oligosaharīdi (HMO) ir pazīstami ar savu nozīmi zīdaiņu uzturā. Cilvēka piena oligosaharīdi ir unikāls uzturvielu veids, kas zīdaiņa zarnās darbojas kā prebiotikas, antiadhezīvi pretmikrobu līdzekļi un imūnmodulatori un būtiski veicina smadzeņu attīstību. HMO ir sastopami tikai cilvēka mātes pienā; citu zīdītāju (piemēram, govju, kazu, aitu, kamieļu u. c.) pienā šo specifisko oligosaharīdu formu nav.
Cilvēka piena oligosaharīdi ir trešā daudzumā visvairāk sastopamā cilvēka piena sausnas sastāvdaļa, kas ūdenī var būt izšķīdinātā, emulģētā vai suspendētā veidā. Laktoze un taukskābes ir cilvēka pienā daudzumā visvairāk sastopamās sausnas sastāvdaļas. HMO koncentrācija ir 0,35–0,88 unces (9,9–24,9 g)/ L. Ir zināmi aptuveni 200 strukturāli atšķirīgi cilvēka piena oligosaharīdi. 80% sieviešu dominējošais oligosaharīds ir 2′-fukozillaktoze, kuras koncentrācija cilvēka mātes pienā ir aptuveni 2,5 g/ L.
Tā kā HMO netiek sagremoti, tie nenodrošina uztura enerģētisko vērtību. Kā nesagremojami ogļhidrāti tie darbojas kā prebiotikas, un tos selektīvi fermentē vēlamā zarnu mikroflora, īpaši bifidobaktērijas.

Cilvēka piena oligosaharīdu biosintēze

Šūnu fabrikas un enzimātiskās / ķīmiski enzimātiskās sistēmas ir pašlaik HMO sintēzei izmantotās tehnoloģijas. HMO ražošanai rūpnieciskā mērogā mikroorganismu šūnu fabriku fermentācija, bioķīmiskā sintēze un dažādas enzimātiskas reakcijas ir īstenojami HMO bioražošanas paņēmieni. Ekonomisku apsvērumu dēļ biosintēze, izmantojot mikroorganismu šūnu fabrikas, pašlaik ir vienīgā metode, ko izmanto HMO rūpnieciskajā ražošanā.

HMO fermentācija, izmantojot mikroorganismu šūnu fabrikas

E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis ir plaši izmantotas šūnu fabrikas tādu bioloģisko molekulu kā cilvēka piena oligosaharīdu (HMO) bioloģiskai ražošanai. Fermentācija ir bioķīmisks process, kurā mikroorganismi pārvērš substrātu vēlamajās bioloģiskajās molekulās. Mikrobu šūnu fabrikas kā substrātu izmanto vienkāršos cukurus, kurus tās pārvērš HMO. Tā kā vienkāršie cukuri (piemēram, laktoze) ir plaši pieejams un lēts substrāts, biosintēzes process saglabājas ekonomiski izdevīgs.
Augšanas un biokonversijas ātrumu galvenokārt ietekmē barības vielu (substrāta) masas pārnese uz mikroorganismiem. Masas pārneses ātrums ir viens no galvenajiem faktoriem, kas ietekmē produkta sintēzi fermentācijas laikā. Ir labi zināms, ka apstrāde ar ultraskaņu veicina masas pārnesi.
Fermentācijas laikā apstākļi bioreaktorā ir nepārtraukti jāuzrauga un jāregulē, lai šūnas varētu augt pēc iespējas ātrāk un pēc tam ražot vēlamās biomolekulas (piemēram, oligosaharīdus, tādus kā HMO; insulīnu; rekombinantos proteīnus). Teorētiski produkta veidošanās sākas, tiklīdz šūnu kultūra sāk augt. Tomēr īpaši ģenētiski modificētās šūnās, piemēram, ģenētiski pārveidotos mikroorganismos, to parasti inducē vēlāk, substrātam pievienojot ķīmisku vielu, kas pastiprina vēlamās biomolekulas ekspresiju. Ultraskaņas bioreaktorus (sonobioreaktorus) var precīzi kontrolēt, un tie ļauj specifiski stimulēt mikrobus. Tas paātrina biosintēzi un palielina iznākumu.
Ultraskaņas līze un ekstrakcija: sarežģītu HMO fermentāciju var ierobežot zemi fermentācijas titri un produktu palikšana šūnu iekšienē. Ultraskaņas līzi un ekstrakciju izmanto, lai atbrīvotu šūnu iekšējo materiālu pirms attīrīšanas un turpmākajiem apstrādes procesiem.

Ar ultraskaņu veicināta fermentācija

Tādu mikrobu kā Escherichia coli, ģenētiski pārveidotu E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis augšanas ātrumu var palielināt, paaugstinot masas pārneses ātrumu un šūnu sieniņu caurlaidību ar kontrolētu zemas frekvences ultraskaņas apstrādi. Kā saudzīga, netermiska apstrādes metode apstrāde ar ultraskaņu iedarbojas uz fermentācijas buljonu ar tīri mehāniskiem spēkiem.
Akustiskā kavitācija: apstrādes ar ultraskaņu darbības princips ir balstīts uz akustisko kavitāciju. Ultraskaņas zonde (sonotrode) ievada vidē zemas frekvences ultraskaņas viļņus. Ultraskaņas viļņi izplatās šķidrumā, radot pārmaiņus augsta spiediena (saspiešanas) / zema spiediena (retinājuma) ciklus. Šķidrumam pārmaiņus saspiežoties un izplešoties, rodas sīki vakuuma burbuļi. Šie mazie vakuuma burbuļi vairāku ciklu laikā aug, līdz sasniedz izmēru, kurā tie vairs nevar absorbēt papildu enerģiju. Šajā maksimālās izaugšanas brīdī vakuuma burbulis strauji sabrūk uz iekšu un lokāli rada ekstrēmus apstākļus – parādību, kas pazīstama kā kavitācija. Kavitācijas „karstajā punktā” var novērot lielas spiediena un temperatūras starpības un intensīvus bīdes spēkus ar šķidruma strūklām, kuru ātrums sasniedz līdz 280m/sec. Šī kavitācijas iedarbība nodrošina intensīvu masas pārnesi un sonoporāciju (šūnu sieniņu un šūnu membrānu perforāciju). Substrāta barības vielas tiek nogādātas līdz dzīvām, veselām šūnām un to iekšienē, tādējādi šūnu fabrikas tiek optimāli apgādātas ar barības vielām un palielinās gan augšanas, gan pārveides ātrums. Ultraskaņas bioreaktori ir vienkāršs, taču ļoti efektīvs risinājums biomasas apstrādei biosintēzes procesā vienā reaktorā.
Ir labi zināms, ka precīzi kontrolēta, saudzīga apstrāde ar ultraskaņu intensificē fermentācijas procesus.
Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo „daudzu bioprocesu, kuros iesaistītas dzīvas šūnas, produktivitāti, uzlabojot substrāta uzņemšanu, palielinot ražošanu vai augšanu, paaugstinot šūnu porainību, un potenciāli pastiprinot šūnu komponentu izdalīšanos.” (Naveena et al. 2015)
Lasiet vairāk par fermentāciju ar ultraskaņas palīdzību!

Naveena un līdzautori (2015) konstatēja, ka intensifikācija ar ultraskaņu bioloģiskajā pārstrādē sniedz vairākas priekšrocības, tostarp zemas ekspluatācijas izmaksas salīdzinājumā ar citām apstrādes metodēm procesa uzlabošanai, vienkāršu lietošanu un mērenas jaudas prasības.

Augstas veiktspējas ultraskaņas fermentācijas reaktori

Fermentācijas procesos piedalās dzīvi mikroorganismi, piemēram, baktērijas vai raugi, kas darbojas kā šūnu fabrikas. Lai gan apstrādi ar ultraskaņu izmanto masas pārneses veicināšanai un mikroorganismu augšanas un pārveides ātruma palielināšanai, ir būtiski precīzi kontrolēt ultraskaņas intensitāti, lai izvairītos no šūnu fabriku iznīcināšanas.
Hielscher Ultrasonics specializējas augstas veiktspējas ultraskaņas apstrādes iekārtu projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā. Šīs iekārtas var precīzi kontrolēt un uzraudzīt, lai nodrošinātu augstāku fermentācijas iznākumu.

Procesa kontrole ir ne tikai būtiska augstam iznākumam un izcilai kvalitātei, bet arī ļauj atkārtot un reproducēt rezultātus. Īpaši šūnu fabriku stimulēšanā apstrādes ar ultraskaņu parametru pielāgošana konkrētajām šūnām ir būtiska, lai sasniegtu augstu iznākumu un novērstu šūnu degradāciju. Tādēļ visi Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtu digitālie modeļi ir aprīkoti ar viedu programmatūru, kas ļauj pielāgot, uzraudzīt un pārskatīt apstrādes ar ultraskaņu parametrus. Ultraskaņas procesa parametri, piemēram, amplitūda, temperatūra, spiediens, apstrādes ar ultraskaņu ilgums, darba cikli un ievadītā enerģija, ir būtiski HMO ražošanas veicināšanai fermentācijas ceļā.
Hielscher ultraskaņas apstrādes iekārtu viedā programmatūra automātiski reģistrē visus svarīgos procesa parametrus iebūvētajā SD kartē. Apstrādes ar ultraskaņu procesa datu automātiska reģistrēšana ir pamats procesa standartizācijai un reproducējamībai / atkārtojamībai, kas nepieciešamas labas ražošanas prakses (GMP) ievērošanai.

Ultraskaņas reaktori fermentācijai

Hielscher piedāvā dažādu izmēru, garumu un ģeometrisko formu ultraskaņas zondes, kuras var izmantot gan apstrādei partijās, gan nepārtrauktai caurplūdes apstrādei. Ultraskaņas reaktori, kas pazīstami arī kā sonobioreaktori, ir pieejami jebkuram tilpumam, aptverot bioloģisko apstrādi ar ultraskaņu no maziem laboratorijas paraugiem līdz pilotražošanai un pilna mēroga komerciālai ražošanai.
Ir labi zināms, ka ultraskaņas sonotrodes novietojums reakcijas traukā ietekmē kavitācijas un mikroplūsmu sadalījumu vidē. Sonotrode un ultraskaņas reaktors jāizvēlas atbilstoši apstrādājamajam šūnu kultūras šķidruma tilpumam. Lai gan apstrādi ar ultraskaņu var veikt gan partiju, gan nepārtrauktā režīmā, lieliem ražošanas apjomiem ieteicams izmantot nepārtrauktas plūsmas iekārtu. Plūstot caur ultraskaņas plūsmas šūnu, visa šūnu vide tiek pakļauta tieši vienādai ultraskaņas iedarbībai, nodrošinot visefektīvāko apstrādi. Hielscher Ultrasonics plašais ultraskaņas zonžu un plūsmas šūnu reaktoru klāsts ļauj izveidot ideālu iekārtu konfigurāciju bioloģiskajai apstrādei ar ultraskaņu.

Hielscher Ultrasonics – no laboratorijas līdz pilotražošanai un ražošanai

Hielscher Ultrasonics aptver visu ultraskaņas iekārtu klāstu, piedāvājot gan kompaktus rokas ultraskaņas homogenizatorus paraugu sagatavošanai, gan uz galda novietojamas un pilotiekārtu sistēmas, kā arī jaudīgas rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas, kas stundā viegli apstrādā kravas automašīnu kravu apjomus. Pateicoties daudzveidīgajām un elastīgajām uzstādīšanas un montāžas iespējām, Hielscher ultraskaņas iekārtas var viegli integrēt visu veidu periodiskas darbības reaktoros, periodiskas darbības sistēmās ar piebarošanu vai nepārtrauktas caurplūdes sistēmās.
Dažādi piederumi un pēc pasūtījuma izgatavotas detaļas ļauj optimāli pielāgot ultraskaņas sistēmu jūsu procesa prasībām.
Hielscher ultraskaņas procesori ir paredzēti darbībai 24/7 ar pilnu slodzi un intensīvai ekspluatācijai sarežģītos apstākļos, tie ir uzticami un prasa tikai nelielu apkopi.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: