Bioinženierijas baktēriju sugas, piemēram, E. coli, kā arī ģenētiski modificēti zīdītāju un augu šūnu tipi tiek plaši izmantoti biotehnoloģijās, lai izteiktu molekulas. Lai atbrīvotu šīs sintezētās biomolekulas, ir nepieciešama uzticama šūnu traucējumu tehnika. Augstas veiktspējas ultrasonication ir pierādīta metode efektīvai un uzticamai šūnu līzei – viegli mērogojamas lielām caurlaidēm. Hielscher Ultrasonics piedāvā augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas efektīvai šūnu līzei, lai ražotu lielu daudzumu augstas kvalitātes biomolekulu.

Molekulu ekstrakcija no šūnu rūpnīcām

Lai ražotu plašu biomolekulu klāstu, kā mikrobu šūnu rūpnīcas var izmantot dažādus inženierijas mikrobus un augu šūnas, tostarp Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana un aļģes. Šīs šūnu rūpnīcas var ražot olbaltumvielas, lipīdus, bioķīmiskās vielas, polimērus, biodegvielu un tauku ķīmiskas vielas, ko izmanto kā pārtiku vai izejvielas rūpnieciskiem lietojumiem. Šūnas, ko izmanto kā šūnu rūpnīcas, tiek kultivētas slēgtos bioreaktos, kur tās var sasniegt augstu efektivitāti, specifiskumu un zemas enerģijas prasības.
Lai izolētu mērķa molekulas no bioinženierijas šūnu kultūrām, šūnas ir jāizjauc tā, lai tiktu atbrīvots intracelulārais materiāls. Ultraskaņas šūnu traucētāji ir labi izveidoti kā ļoti uzticama un efektīva šūnu sadalīšanās un savienojuma atbrīvošanas tehnika.

Mikrobu šūnu rūpnīcas ir metaboliski izstrādātas šūnas, ko izmanto dažādu vērtīgu savienojumu sintēzei. Ultraskaņas šūnu traucējumi ir efektīva un uzticama metode, lai atbrīvotu vērtīgos savienojumus no šūnu interjera.
pētījums un grafika: ©Villaverde, 2010.

Ultraskaņas šūnu traucējumusoru priekšrocības

Kā netermiska, viegla, bet ļoti efektīva tehnoloģija ultraskaņas disruptori tiek izmantoti laboratorijā un rūpniecībā, lai šķeļotu šūnas un ražotu augstas kvalitātes ekstraktus, piemēram, ko izmanto molekulu izolēšanai no šūnu rūpnīcām.

Power-Ultraskaņa efektīvai mikrobu šūnu rūpnīcu pārtraukšanai

Ultraskaņas šūnu traucējumu mehānisms un ietekme:
Ultraskaņas šūnu traucējumi izmantoja ultraskaņas viļņu jaudu. Ultraskaņas homogenizators / šūnu traucētājs ir aprīkots ar zondi (arī sonotrode), kas izgatavota no titāna sakausējuma, kas svārstās ar augstu frekvenci aptuveni 20 kHz. Tas nozīmē, ka ultraskaņas zonde savieno 20 000 vibrācijas sekundē skaņas šķidrumā. Ultraskaņas viļņi, kas savienoti šķidrumā, raksturo mainīgi augstspiediena / zema spiediena cikli. Zema spiediena cikla laikā šķidrums paplašinās un rodas minūtes vakuuma burbuļi. Šie ļoti mazie burbuļi aug vairākos mainīgos spiediena ciklos, līdz tie nevar absorbēt papildu enerģiju. Šajā brīdī KAVITĀCIJAS burbuļi spēcīgi izgāzies un lokāli rada neparastu enerģēzīgu vidi. Šī parādība ir pazīstama kā akustiskā kavitācija, un to raksturo lokāli ļoti augsta temperatūra, ļoti augsts spiediens un bīdes spēki. Šīs bīdes spriegumi efektīvi salauž šūnu sienas un palielina masas pārnesi starp šūnu iekšpusi un apkārtējo šķīdinātāju. Kā tīri mehāniska tehnika ultrasoniski radītie bīdes spēki tiek plaši izmantoti un ieteicamā procedūra baktēriju šūnu traucējumiem, kā arī olbaltumvielu izolācijai. Kā vienkārša un ātra šūnu traucējumu metode ultraskaņas apstrāde ir ideāli piemērota mazu, vidēju un lielu apjomu izolēšanai. Hielscher digitālie ultrasonikatori ir aprīkoti ar skaidru iestatījumu izvēlni precīzai ultraskaņas kontrolei. Visi ultraskaņas dati tiek automātiski saglabāti iebūvētā SD kartē un ir vienkārši pieejami. Sarežģītas siltuma izkliedēšanas iespējas, piemēram, ārējā dzesēšana, ultraskaņas apstrāde puls režīmā utt. Ultraskaņas dezintegrācijas procesa laikā nodrošina ideālas procesa temperatūras uzturēšanu un tādējādi ekstrahēto siltumjutīgo savienojumu neskartību.

Pētījumi uzsver ultraskaņas šūnu traucējumu un ekstrakcijas stiprās puses

Prof. Chemat et al. (2017) savā pētījumā atsāk, ka "ekstrakcija ar ultraskaņu ir zaļa un ekonomiski dzīvotspējīga alternatīva tradicionālajām pārtikas un dabīgo produktu metodēm. Galvenie ieguvumi ir ekstrakcijas un apstrādes laika samazināšanās, izmantotās enerģijas un šķīdinātāju daudzums, vienības darbības un CO₂ emisijas."
Gabig-Ciminska et al. (2014) savā pētījumā par sporu šķēlu izmantoja augstspiediena homogenizatoru un ultraskaņas šūnu dsintegratoru, lai atbrīvotu DNS. Salīdzinot abas šūnu traucējumu metodes, pētnieku grupa secina, ka attiecībā uz šūnu līzes sporu DNS " analīze ir veikta, izmantojot šūnu līzātus no augstspiediena homogenizācijas. Pēc tam mēs sapratām, ka ultraskaņas šūnu traucējumiem ir izcilas priekšrocības šim nolūkam. Tas ir diezgan ātri un to var apstrādāt nelieliem paraugu tilpumiem." (Gabig-Ciminska et al., 2014)

Biomolekulas no šūnu rūpnīcām pārtikas ražošanai

Mikrobu šūnu rūpnīcas ir dzīvotspējīga un efektīva ražošanas metodika, kurā mikroorganismi tiek izmantota, lai iegūtu augstu vietējo un svešo metabolītu ražu, veicot mikrobu mikroorganismu, piemēram, baktēriju, raugu, sēnīšu u.c. metabolismu bioinženierijas rezultātā. Nefasētus fermentus ražo, piemēram, izmantojot mikroorganismus, piemēram, Aspergillus oryzae, sēnītes un baktērijas. Šos beztaras fermentus izmanto pārtikas un dzērienu ražošanai, kā arī lauksaimniecībai, bioenerģijai un mājsaimniecības aprūpei.
Dažas baktērijas, piemēram, Acetobacter xylinum un Gluconacetobacter xylinus, fermentācijas procesā ražo celulozi, kur nanošķiedras tiek sintezētas augšupējā procesā. Baktēriju celuloze (pazīstama arī kā mikrobu celuloze) ir ķīmiski līdzvērtīga augu celulozei, bet tai ir augsta kristāliskuma pakāpe un augsta tīrības pakāpe (bez lignīna, hemicelulozes, pektīna un citiem biogēniem komponentiem), kā arī unikāla celulozes nanošķiedras austa trīsdimensiju (3D) retikulētā tīkla struktūra. (sal. ar Zhong, 2020) Salīdzinot ar augu izcelsmes celulozi, baktēriju celuloze ir ilgtspējīgāka, un saražotā celuloze ir tīra, un nav nepieciešami sarežģīti attīrīšanas posmi. Ultrasonication un šķīdinātāja ekstrakcija, izmantojot NaOH vai SDS (nātrija dodecilsulfāts), ir ļoti efektīva baktēriju celulozes izolācijai no baktēriju šūnām.

Biomolekulas no šūnu rūpnīcām farmācijas un vakcīnu ražošanai

Viens no ievērojamākajiem farmaceitiskajiem produktiem, kas iegūts no šūnu rūpnīcām, ir cilvēka insulīns. Bioinženierijas insulīna ražošanai galvenokārt izmanto E. coli un Saccharomyces cerevisiae. Tā kā biosintezētas nanoizmēra molekulas piedāvā augstu biosaderību, bioloģiskās nanodaļiņas, piemēram, feritīns, ir izdevīgas daudziem bioražošanas lietojumiem. Turklāt vielmaiņas inženierijas mikrobu ražošana bieži vien ir ievērojami efektīvāka iegūtajā ražā. Piemēram, arteminīnskābes, resveratrola un likopēna ražošana ir palielinājusies desmitkārtīgi līdz vairākiem simtiem reiža, un tā jau ir izveidota vai tiek izstrādāta rūpnieciska mēroga ražošanai. (sal. ar Liu et al.; Mikrob. Šūnas fakts. 2017)
Piemēram, olbaltumvielu bāzes nano izmēra biomolekulas ar paškomplektējošām īpašībām, piemēram, feritīnu un vīrusiem līdzīgs daļiņas, ir īpaši interesantas vakcīnas izstrādei, jo tās atdarina gan patogēnu lielumu, gan struktūru un ir līdzīgas antigēnu virsmas konjugācijai, lai veicinātu mijiedarbību ar imūnšūnām. Šādas molekulas ir izteiktas tā sauktajās šūnu rūpnīcās (piemēram, inženierijas E. coli celmos), kas rada noteiktu mērķa molekulu.

Protokols ultraskaņas līzei un E. coli BL21 feritīna atbrīvošanai

Ferritīns ir proteīns, kura primārā funkcija ir dzelzs uzglabāšana. Ferritīns uzrāda daudzsološas iespējas kā paškomplektējošas nanodaļiņas vakcīnās, kur to izmanto kā vakcīnas piegādes līdzekli (piemēram, SARS-Cov-2 smailes proteīnus). Sun et. zinātniskie pētījumi (2016) liecina, ka rekombinanto feritīnu var atbrīvot šķīstošā veidā no Escherichia coli zemā NaCl koncentrācijā (≤50 mmol/l). Lai izteiktu feritīnu E. coli BL21 un atbrīvotu fertīnu, veiksmīgi tika piemērots šāds protokols. Rekombinantais pET-28a/feritīna plazmīds tika pārveidots par E coli BL21 (DE3) celmu. Feritīna E coli BL21 (DE3) šūnas tika kultivētas LB augšanas vidē ar 0,5% kanamicīna 37°C temperatūrā un inducētas pie OD600 0,6 ar 0,4% izopropil-β-D-tiogalactopiranozīdu 3 stundas 37°C temperatūrā. Pēc tam galīgo kultūru novāc centrifugējot 8000 g temperatūrā 10 minūtes 4°C temperatūrā, un granulas savāca. Pēc tam granula tika atkārtoti suspendēta LB barotnē (1% NaCl, 1% typone, 0,5% rauga ekstrakts)/līzes buferšķīdumā (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7,6) un dažādās NaCl šķīduma koncentrācijās (attiecīgi 0, 50, 100, 170 un 300 mmol/l). Baktēriju šūnu līzei ultraskaņas apstrāde tika piemērota pulsa režīmā, piemēram, izmantojot ultrasonicator UP400St ar 100% amplitūdu ar darba ciklu 5 sekundes IESLĒGTS, 10 sekundes IZSLĒGTS 40 ciklus) un pēc tam centrifugē 10 000 g 15 minūtes 4°C temperatūrā. Centrifugātu un nogulsnes analizēja ar nātrija dodecilsulfāta poliakrilamīda gēla elektroforēzi (SDS-PAGE). Visi nātrija dodecilsulfātu iekrāsoti gēli tika skenēti ar augstas izšķirtspējas skeneri. Gēla attēli tika analizēti, izmantojot Magic Chemi 1D programmatūru. Optimālai skaidrībai olbaltumvielu joslas tika noteiktas, pielāgojot parametrus. Dati par joslām tika iegūti no tehniskiem trīs eksemplāriem. (sal. ar Sun et al., 2016)

Ultraskaņas šūnu disruptori šūnu rūpnīcu rūpnieciskajai līzei

Ultraskaņas līze un ekstrakcija ir uzticama un ērta metode metabolītu izdalīšanai no šūnu rūpnīcām, tādējādi palīdzot efektīvi ražot mērķa molekulas. Ultraskaņas šūnu disruptori ir pieejami no laboratorijas līdz rūpnieciskajam izmēram, un procesus var mērogot pilnīgi lineāri.
Hielscher Ultrasonics ir jūsu kompetentais partneris augstas veiktspējas ultraskaņas disruptoriem, un tam ir ilgstoša pieredze ultraskaņas sistēmu implantēšanas jomā stenda un rūpnieciskajos iestatījumos.
Kad runa ir par sarežģītu aparatūru un programmatūru, Hielscher Ultrasonics šūnu traucējumu sistēmas atbilst visām prasībām optimālai procesa kontrolei, vieglai darbībai un lietotājdraudzīgumu. Klienti un hielscher ultrasonikatoru lietotājs novērtē ieguvumu, ko Hielscher ultraskaņas šūnu traucētāji un nosūcēji ļauj precīzi uzraudzīt un kontrolēt – izmantojot digitālo skārienparādījumu un pārlūkprogrammas tālvadības pulti. Visi svarīgie ultraskaņas dati (piemēram, neto enerģija, kopējā enerģija, amplitūda, ilgums, temperatūra, spiediens) tiek automātiski saglabāti kā CSV fails integrētā SD kartē. Tas palīdz iegūt reproducējamus un atkārtojamus rezultātus un atvieglo procesu standartizāciju, kā arī labas ražošanas prakses (cGMP) izpildi.
Protams, Hielscher ultraskaņas procesori ir būvēti 24/7 darbībai ar pilnu slodzi, un tāpēc tos var droši darbināt rūpnieciskās ražošanas apstākļos. Pateicoties augstajai izturībai un zemai apkopei, ultraskaņas iekārtas dīkstāve ir patiešām zema. CIP (tīrā vietā) un SIP (sterilizēt vietā) funkcijas samazina darbietilpīgu tīrīšanu, jo īpaši tāpēc, ka visas mitrās daļas ir gludas metāla virsmas (bez slēptām atverēm vai sprauslām).

Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu: