Ultrasone disintegratie van cellen

Sonicatie is een doeltreffende manier om celstructuren te desintegreren. Daarom worden sonicators veel gebruikt in laboratoria om cellen open te breken en intracellulaire moleculen, eiwitten en organellen te extraheren voor onderzoek en analyse. Op industriële schaal worden ultrasone disintegratie en lysis gebruikt om moleculen uit celfabrieken te isoleren of om de vergisting van biomassa te bevorderen.

Wat is ultrasone disintegratie?

Ultrasone disintegratie, ook bekend als ultrasone homogenisatie, is een proces waarbij ultrasone golven met een hoge intensiteit en lage frequentie worden gebruikt om celwanden af te breken en moleculaire structuren in een vloeibaar medium te verstoren. Deze techniek wordt veel gebruikt in diverse wetenschappelijke en industriële toepassingen voor verschillende doeleinden:

Celontsluiting: Ultrasone disintegratie wordt veel gebruikt in de celbiologie en moleculaire biologie om celmembranen open te breken, waardoor celinhoud zoals eiwitten, nucleïnezuren en organellen vrijkomt. Dit is nuttig voor het extraheren van intracellulaire componenten voor analyse of voor het lyseren van cellen in microbiologische en biotechnologische processen.

• Homogenisatie: Dit helpt bij het gelijkmatig mengen van componenten in een monster, vooral bij niet-mengbare vloeistoffen of wanneer een homogeen mengsel van materialen wordt nagestreefd.
• Eiwitextractie: In de biologie, proteomica en levenswetenschappen is de analyse van eiwitten een zeer gebruikelijke taak. Voordat eiwitten in assays kunnen worden geanalyseerd, moeten ze uit het inwendige van de cel worden geëxtraheerd en geïsoleerd. Sonicators zijn de meest gebruikte methode voor eiwitextractie.
• DNA-fragmentatie: DNA en RNA zijn verschillende typen nucleïnezuren die genetische informatie in cellen opslaan en coderen. Wanneer DNA en RNA worden geanalyseerd, moeten de lange strengen soms worden gefragmenteerd, een proces dat betrouwbaar en efficiënt met sonicatie kan worden uitgevoerd.
• Monstervoorbereiding: Bij onderzoek en analyse is monstervoorbereiding een gebruikelijke procedure voorafgaand aan diverse analytische technieken. Ultrasone disintegratie kan helpen om monsters op te lossen of te dispergeren, wat de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van analyses kan verbeteren.

Voordelen van ultrasone disintegratie

Waarom een sondesonicator gebruiken voor disintegratie, celontsluiting en de extractie van intracellulaire moleculen en eiwitten? Een sonicator of ultrasone dismembrator biedt talrijke voordelen die sonicatie tot de superieure technologie maken ten opzichte van andere disintegratiemethoden, zoals hogedrukhomogenisatie, malen met een kogelmolen of microfluïdisatie.

• Niet-thermisch: Ultrasone disintegratie is een niet-thermische methode, wat betekent dat deze niet afhankelijk is van warmte om materialen af te breken. Dit is voordelig voor toepassingen waarbij hoge temperaturen warmtegevoelige monsters zouden kunnen aantasten.
• Nauwkeurig en gecontroleerd: Het proces kan met hoge precisie worden geregeld, waardoor gerichte ontsluiting, menging of verkleining van de deeltjesgrootte mogelijk is.
• Snel en efficiënt: Sonicatie is doorgaans een snelle en efficiënte methode, waardoor deze geschikt is voor toepassingen met een hoge verwerkingscapaciteit.
• Minder gebruik van chemicaliën: In veel gevallen kan ultrasone disintegratie de behoefte aan agressieve chemicaliën of organische oplosmiddelen verminderen, wat milieuvriendelijk kan zijn en het risico op chemische verontreiniging kan verkleinen.
• Geen maalmedia, geen sproeiers: Alternatieve disintegratietechnieken, zoals malen met een kogelmolen of parelmolen of het gebruik van hogedrukhomogenisatoren, hebben nadelen. Malen met een kogelmolen of parelmolen vereist het gebruik van maalmedia (kogeltjes of parels), die met veel moeite moeten worden afgescheiden en gereinigd. Hogedrukhomogenisatoren hebben sproeiers die gevoelig zijn voor verstopping. Ultrasone homogenisatoren daarentegen zijn eenvoudig te gebruiken, zeer betrouwbaar en robuust en vereisen zeer weinig onderhoud.
• Veelzijdigheid: De techniek kan worden toegepast op een breed scala aan materialen, waaronder bacteriën, plantencellen, zoogdierweefsel, algen, schimmels enz., waardoor deze een veelzijdige techniek is op diverse gebieden.
  Schaalbaarheid: De ultrasone techniek kan worden opgeschaald voor industriële processen, waardoor deze geschikt is voor zowel laboratoriumtoepassingen als grootschalige productietoepassingen.

Het werkingsprincipe van ultrasone disintegratie en celontsluiting

Sonicatie genereert afwisselend hogedruk- en lagedrukgolven in de blootgestelde vloeistof. Tijdens de lagedrukcyclus creëren de ultrasone golven kleine vacuümbellen in de vloeistof die tijdens een hogedrukcyclus met grote kracht imploderen. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. De implosie van de cavitatiebel veroorzaakt sterke hydrodynamische afschuifkrachten die eerst sonoporatie en vervolgens de efficiënte ontsluiting van celstructuren veroorzaken. Intracellulaire moleculen en organellen komen volledig vrij in het oplosmiddel.

Ultrasone disintegratie van celstructuren

De afschuifkrachten kunnen vezelig, cellulosehoudend materiaal tot fijne deeltjes desintegreren en de wanden van de celstructuur openbreken. Hierdoor komt meer intracellulair materiaal, zoals zetmeel of suiker, vrij in de vloeistof. Daarnaast wordt het celwandmateriaal in kleine fragmenten afgebroken.

Dit effect kan worden gebruikt voor fermentatie, vergisting en andere omzettingsprocessen van organisch materiaal. Na malen en fijnmalen maakt sonicatie meer intracellulair materiaal, bijvoorbeeld zetmeel, en celwandfragmenten beschikbaar voor de enzymen die zetmeel omzetten in suikers. Ook vergroot dit het oppervlak dat tijdens liquefactie of versuikering aan de enzymen wordt blootgesteld. Dit verhoogt doorgaans de snelheid en opbrengst van gistfermentatie en andere omzettingsprocessen, bijvoorbeeld om de ethanolproductie uit biomassa te verhogen.

Gebruik ultrasone disintegratie – betrouwbaar en efficiënt op elke schaal

Sonicators van Hielscher zijn verkrijgbaar met verschillende vermogens en verwerkingscapaciteiten. Of u nu kleine biologische monsters van enkele microliters tot enkele liters wilt soniceren of grote cel- of biomassastromen voor productie moet verwerken, Hielscher Ultrasonics zal u de meest geschikte ultrasone dismembrator voor uw biologische toepassing bieden.

• laboratoriumschaal voor 1mL tot ca. 5L, bijv. UP400St met een sonotrode van 22mm
• tafelmodelschaal bij ca. 0,1 tot 20L/min, bijv. UIP1000hdT met een sonotrode van 34mm en een doorstroomcel
• productieschaal vanaf 20L/min, bijv. UIP4000hdT of UIP16000hdT

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten voor laboratoriumgebruik:

Gebruik het onderstaande formulier als u meer informatie wilt ontvangen over het gebruik van ultrasone apparaten voor de disintegratie van cellen. Wij helpen u graag.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze industriële ultrasone apparaten:

Literatuur / Referenties

• Nico Böhmer, Andreas Dautel, Thomas Eisele, Lutz Fischer (2012): Recombinant expression, purification and characterisation of the native glutamate racemase from Lactobacillus plantarum NC8. Protein Expr Purif. 2013 Mar;88(1):54-60.
• Brandy Verhalen, Stefan Ernst, Michael Börsch, Stephan Wilkens (2012): Dynamic Ligand-induced Conformational Rearrangements in P-glycoprotein as Probed by Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy. J Biol Chem. 2012 Jan 6;287(2): 1112-27.
• Claudia Lindemann, Nataliya Lupilova, Alexandra Müller, Bettina Warscheid, Helmut E. Meyer, Katja Kuhlmann, Martin Eisenacher, Lars I. Leichert (2013): Redox Proteomics Uncovers Peroxynitrite-Sensitive Proteins that Help Escherichia coli to Overcome Nitrosative Stress. J Biol Chem. 2013 Jul 5; 288(27): 19698–19714.
• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.