Cilvēka piena oligosaharīdu biosintētiskā ražošana
Cilvēka piena oligosaharīdu (HMO) biosintēze fermentācijas vai fermentatīvo reakciju ceļā ir sarežģīts, patērējošs un bieži vien zemas ražības process. Ultrasonication palielina masas pārnesi starp substrātu un šūnu rūpnīcām ans stimulē šūnu augšanu un vielmaiņu. Tādējādi ultraskaņas apstrāde pastiprina fermentācijas un bioķīmiskos procesus, kā rezultātā tiek paātrināta un efektīvāka HMO ražošana.
cilvēka piena oligosaharīdi
Human milk oligosaccharides (HMOs), also known as human milk glycans, are sugar molecules, that are part of the oligosaccharides group. Prominent examples of HMOs include 2′-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3′-galactosyllactose (3′-GL) un difukozillaktozi (DFL).
Lai gan cilvēka mātes piens sastāv no vairāk nekā dažādām 150 HMO struktūrām, tikai 2′-fukozillaktoze (2′-FL) un lakto-N-neotetraoze (LNnT) pašlaik tiek ražoti komerciālā līmenī un tiek izmantoti kā uzturfizioloģiskās piedevas maisījumos zīdaiņiem.
Human milk oligosaccharides (HMOs) are known for their significance in baby nutrition. Human milk oligosaccharides are a unique type of nutrients, which act as prebiotics, anti-adhesive antimicrobials, and immunomodulators within the infant’s gut and contribute substantially to the brain development. HMOs are exclusively found in human breast milk; other mammalian milks ( e.g. cow, goat, sheep, camel etc.) do not have these specific form of oligosaccharides.
Cilvēka piena oligosaharīdi ir trešā bagātīgākā cietā sastāvdaļa cilvēka pienā, kas var būt izšķīdinātā vai emulģētā vai suspendētā veidā ūdenī. Laktoze un taukskābes ir visbagātākās cietās vielas, kas atrodamas cilvēka pienā. HMO ir 0,35–0,88 unces (9,9–24,9 g)/ L. Ir zināmi aptuveni 200 strukturāli atšķirīgi cilvēka piena oligosaharīdi. Dominējošais oligosaharīds 80% no visām sievietēm ir 2′-fukozillaktozi, kas ir cilvēka pienā ar koncentrāciju aptuveni 2,5 g/l.
Tā kā HMO netiek sagremoti, tie neveicina kaloriju veidošanos uzturā. Būdami nesagremojami ogļhidrāti, tie darbojas kā prebiotikas un tos selektīvi fermentē vēlamā zarnu mikroflora, īpaši bifidobaktērijas.
- veicināt zīdaiņu attīstību
- ir svarīgi smadzeņu attīstībai
- ir pretiekaisuma un
- pretlīmējoša iedarbība kuņģa-zarnu traktā
- atbalsta imūnsistēmu pieaugušajiem

Gada ultraskaņas procesors UIP2000hdT palielina masas pārnesi un aktivizē šūnu rūpnīcas, lai iegūtu lielāku biosintezētu bioloģisko molekulu, piemēram, HMO, ražu
Cilvēka piena oligosaharīdu biosintēze
Šūnu rūpnīcas un fermentatīvās? ķīmij-fermentatīvās sistēmas ir pašreizējās tehnoloģijas, ko izmanto HMO sintēzei. HMO ražošanai rūpnieciskā mērogā mikrobu šūnu rūpnīcu fermentācija, bioķīmiskā sintēze un dažādas fermentatīvās reakcijas ir iespējamie HMO bioloģiskās ražošanas veidi. Ekonomisku iemeslu dēļ bioloģiskā sintēze, izmantojot mikrobu šūnu rūpnīcas, pašlaik ir vienīgā metode, ko izmanto HMO rūpnieciskās ražošanas līmenī.
HMO fermentācija, izmantojot mikrobu šūnu rūpnīcas
E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis ir parasti izmantotas šūnu rūpnīcas, ko izmanto bioloģisko molekulu, piemēram, HMO, bioražošanai. Fermentācija ir bioķīmisks process, kurā izmanto mikroorganismus, lai substrātu pārveidotu par mērķtiecīgām bioloģiskām molekulām. Mikrobu šūnu rūpnīcas kā substrātu izmanto vienkāršus cukurus, kurus tās pārvērš HMO. Tā kā vienkāršie cukuri (piemēram, laktoze) ir bagātīgs, lēts substrāts, tas uztur biosintēzes procesu rentablu.
Augšanas un biokonversijas ātrumu galvenokārt ietekmē barības vielu (substrāta) masas pārnešana uz mikroorganismiem. Masas pārneses ātrums ir galvenais faktors, kas ietekmē produkta sintēzi fermentācijas laikā. Ultrasonication ir labi zināms, lai veicinātu masas pārnesi.
Fermentācijas laikā apstākļi bioreaktorā ir pastāvīgi jāuzrauga un jāregulē, lai šūnas varētu augt pēc iespējas ātrāk un pēc tam ražot mērķa biomolekulas (piemēram, oligosaharīdus, piemēram, HMO; insulīnu, rekombinantos proteīnus). Teorētiski produkta veidošanās sākas, tiklīdz šūnu kultūra sāk augt. Tomēr, jo īpaši ģenētiski modificētās šūnās, piemēram, inženierijas mikroorganismos, to parasti inducē vēlāk, substrātam pievienojot ķīmisku vielu, kas regulē mērķa biomolekulas ekspresiju. Ultraskaņas bioreaktorus (sono-bioreaktoru) var precīzi kontrolēt un ļaut specifiski stimulēt mikrobus. Tas rada paātrinātu biosintēzi un augstāku ražu.
Ultraskaņas līze un ekstrakcija: Sarežģītu HMO fermentāciju var ierobežot zemas fermentācijas titri un produkti, kas paliek intracelulāri. Ultraskaņas līze un ekstrakcija tiek izmantota, lai atbrīvotu intracelulāro materiālu pirms attīrīšanas un lejupējiem procesiem.
Ultrasoniski veicināta fermentācija
Mikrobu, piemēram, Escherichia coli, inženierijas E.coli, Saccharomyces cerevisiae un Lactococcus lactis, augšanas ātrumu var paātrināt, palielinot masas pārneses ātrumu un šūnu sienas caurlaidību, izmantojot kontrolētu zemas frekvences ultrasonikāciju. Kā viegla, netermiska apstrādes tehnika, ultrasonication izmanto tīri mehāniskus spēkus fermentācijas buljonā.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression)? low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “karstais punkts”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
Precīzi kontrolēta, viegla ultraskaņas apstrāde ir labi zināma, lai pastiprinātu fermentācijas procesus.
Uzlabojas ultraskaņas apstrāde “the productivity of many bioprocesses involving live cells via the enhancement of substrate uptake, enhanced production or growth by increasing cell porosity, and potentially enhanced release of cell components.” (Naveena et al. 2015)
Lasiet vairāk par ultrasoniski atbalstītu fermentāciju!
- Palielināta raža
- Paātrināta fermentācija
- Šūnu specifiskā stimulācija
- Uzlabota substrāta uzņemšana
- palielināta šūnu porainība
- Viegli lietojams
- Drošs
- Vienkārša retro montāža
- Lineāra palielināšana
- Partijas vai InIine apstrāde
- Ātra IA
(2015) konstatēja, ka ultraskaņas intensifikācija bioapstrādes laikā piedāvā vairākas priekšrocības, tostarp zemas ekspluatācijas izmaksas salīdzinājumā ar citām uzlabošanas ārstēšanas iespējām, darbības vienkāršību un nelielām jaudas prasībām.

The MultiSonoReactor MSR-4 ir rūpniecisks inline homogenizators, kas piemērots cilvēka piena oligosaharīdu (HMO) pastiprinātai biosintēzei.
Augstas veiktspējas ultraskaņas fermentācijas reaktori
Fermentation processes involve living microorganisms such as bacteria or yeast, which function as cell factories. Whilst sonication is applied to promote mass transfer and increase microorganism’s growth and conversion rate, it is crucial to control the ultrasonic intensity precisely in order to avoid the destruction of the cell factories.
Hielscher Ultrasonics ir speciālists augstas veiktspējas ultrasonikatoru projektēšanā, ražošanā un izplatīšanā, ko var precīzi kontrolēt un uzraudzīt, lai nodrošinātu izcilu fermentācijas ražu.
Procesa kontrole ir būtiska ne tikai augstai ražībai un augstākai kvalitātei, bet arī ļauj atkārtot un reproducēt rezultātus. Jo īpaši, ja ist nonāk pie šūnu rūpnīcu stimulēšanas, ultraskaņas parametru šūnu specifiskā pielāgošana ir būtiska, lai sasniegtu augstu ražu un novērstu šūnu degradāciju. Tāpēc visi Hielscher ultrasonikatoru digitālie modeļi ir aprīkoti ar inteliģentu programmatūru, kas ļauj pielāgot, uzraudzīt un pārskatīt ultraskaņas apstrādes parametrus. Ultraskaņas procesa parametri, piemēram, amplitūda, temperatūra, spiediens, ultraskaņas apstrādes ilgums, darba cikli un enerģijas ievade, ir būtiski, lai veicinātu HMO ražošanu, izmantojot fermentāciju.
Hielscher ultrasonikatoru viedā programmatūra automātiski reģistrē visus svarīgos procesa parametrus integrētajā SD kartē. Ultraskaņas apstrādes procesa automātiskā datu ierakstīšana ir procesa standartizācijas un reproducējamības? atkārtojamības pamats, kas nepieciešams labai ražošanas praksei (LRP).
Ultraskaņas rektori fermentācijai
Hielscher piedāvā dažāda lieluma, garuma un ģeometrijas ultraskaņas zondes, kuras var izmantot gan partijas, gan nepārtrauktas caurplūdes apstrādei. Ultraskaņas reaktori, kas pazīstami arī kā sono-bioreaktori, ir pieejami jebkuram tilpumam, kas aptver ultraskaņas bioapstrādi no maziem laboratorijas paraugiem līdz izmēģinājuma un pilnībā komerciālam ražošanas līmenim.
Ir labi zināms, ka ultraskaņas sonotroda atrašanās vieta reakcijas traukā ietekmē kavitācijas un mikrostraumēšanas sadalījumu vidē. Sonotrode un ultraskaņas reaktors jāizvēlas atbilstoši šūnu buljona apstrādes tilpumam. Lai gan ultraskaņu var veikt gan partijā, gan nepārtrauktā režīmā, lieliem ražošanas apjomiem ieteicams izmantot nepārtrauktas plūsmas iekārtu. Caur ultraskaņas plūsmas šūnu, visas šūnu barotnes iegūst tieši tādu pašu iedarbību uz ultraskaņu, nodrošinot visefektīvāko ārstēšanu. Hielscher Ultrasonics plašs ultraskaņas zondes un plūsmas šūnu reaktoru klāsts ļauj salikt ideālu ultraskaņas bioprocesēšanas iestatījumu.
Hielscher Ultrasonics – No laboratorijas līdz izmēģinājumam un ražošanai
Hielscher Ultrasonics aptver pilnu ultraskaņas iekārtu spektru, piedāvājot kompaktus rokas ultraskaņas homogenizatorus paraugu sagatavošanai galda un pilotu sistēmām, kā arī jaudīgas rūpnieciskās ultraskaņas vienības, kas viegli apstrādā kravas automašīnas stundā. Tā kā Hielscher ultraskaņas aparāti ir daudzpusīgi un elastīgi uzstādīšanas un montāžas iespējās, tos var viegli integrēt visu veidu partijas reaktoros, padeves partijās vai nepārtrauktās caurplūdes iestatījumos.
Dažādi piederumi, kā arī pielāgotas detaļas ļauj ideāli pielāgot jūsu ultraskaņas iestatījumus jūsu procesa prasībām.
Hielscher ultraskaņas procesori, kas būvēti 24/7 darbībai ar pilnu slodzi un lielu slodzi sarežģītos apstākļos, ir uzticami un prasa tikai zemu apkopi.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums!? Jautājiet mums!

Augstas jaudas ultraskaņas homogenizatori no Lab līdz pilots un Rūpniecības mērogs.
Literatūra? Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Biosintēze, izmantojot šūnu rūpnīcas
Mikrobu šūnu rūpnīca ir bioinženierijas metode, kas izmanto mikrobu šūnas kā ražotni. Ar gēnu inženierijas mikrobiem tiek modificēta mikroorganismu, piemēram, baktēriju, raugu, sēnīšu, zīdītāju šūnu vai aļģu, DNS, pārvēršot mikrobus šūnu rūpnīcās. Šūnu rūpnīcas tiek izmantotas, lai substrātus pārveidotu vērtīgās bioloģiskās molekulās, kuras izmanto, piemēram, pārtikas, farmācijas, ķīmijas un degvielas ražošanā. Dažādu uz šūnām balstītas biosintēzes stratēģiju mērķis ir vietējo metabolītu ražošana, heterologu biosintētisko ceļu ekspresija vai olbaltumvielu ekspresija.
Šūnu rūpnīcas var izmantot, lai sintezētu vietējos metabolītus, izteiktu heterologus biosintētiskos ceļus vai izteiktu proteīnus.
Vietējo metabolītu biosintēze
Vietējie metabolīti ir definēti kā bioloģiskas molekulas, kuras šūnas, ko izmanto kā šūnu rūpnīcu, ražo dabiski. Šūnu rūpnīcas ražo šīs bioloģiskās molekulas vai nu intracelulāri, vai izdalītu vielu. Pēdējais ir vēlams, jo tas atvieglo mērķa savienojumu atdalīšanu un attīrīšanu. Vietējo metabolītu piemēri ir aminoskābes un nukleīnskābes, antibiotikas, vitamīni, fermenti, bioaktīvie savienojumi un olbaltumvielas, kas iegūtas no šūnu anaboliskajiem ceļiem.
Heterologu biosintētiskie ceļi
Mēģinot radīt interesantu savienojumu, viens no svarīgākajiem lēmumiem ir ražošanas izvēle vietējā uzņēmējā un optimizēt šo saimnieku vai ceļa nodošana citam pazīstamam saimniekam. Ja sākotnējo saimniekorganismu var pielāgot rūpnieciskam fermentācijas procesam un, to darot, nav ar veselību saistītu risku (piemēram, toksisku blakusproduktu ražošana), tā var būt vēlamā stratēģija (kā tas bija, piemēram, penicilīna gadījumā). Tomēr daudzos mūsdienu gadījumos rūpnieciski vēlamās šūnu rūpnīcas un ar to saistīto platformu procesu izmantošanas potenciāls pārspēj ceļa pārvietošanas grūtības.
olbaltumvielu ekspresija
The expression of proteins can be achieved via homologous and heterologous ways. In homologous expression, a gene that is naturally present in an organism is over-expressed. Through this over-expression, a higher yield of a certain biological molecule can be produced. For heterologous expression, a specific gene is transferred into a host cell in that the gene is not present naturally. Using cell engineering and recombinant DNA technology, the gene is inserted into the host’s DNA so that the host cell produces (large) amounts of a protein that it would not produce naturally. Protein expression is done in a variety of hosts from bacteria, e.g. E. coli and Bacillis subtilis, yeasts, e.g., Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, filamentous fungi, e.g. as A. niger, and cells derived from multicellular organisms such as mammals and insects. Innummerous proteins are of great commercial interest, including from bulk enzymes, complex bio-pharmaceuticals, diagnostics and research reagents. (cf. A.M. Davy et al. 2017)