Ultradźwiękowa dezintegracja komórek

Sonikacja jest skutecznym sposobem dezintegracji struktur komórkowych. Dlatego sonikatory są szeroko stosowane w laboratoriach do rozbijania komórek oraz ekstrakcji cząsteczek wewnątrzkomórkowych, białek i organelli do celów badawczych i analitycznych. W skali przemysłowej dezintegrację ultradźwiękową i lizę stosuje się do izolowania cząsteczek z komórek wykorzystywanych jako fabryki biologiczne lub do wspomagania trawienia biomasy.

Czym jest dezintegracja ultradźwiękowa?

Dezintegracja ultradźwiękowa, znana również jako homogenizacja ultradźwiękowa, to proces wykorzystujący fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości do rozbijania ścian komórkowych i niszczenia struktur molekularnych w środowisku ciekłym. Technika ta jest powszechnie stosowana w różnych zastosowaniach naukowych i przemysłowych do kilku celów:

Rozbijanie komórek: Dezintegracja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana w biologii komórki i biologii molekularnej do rozbijania błon komórkowych, co uwalnia zawartość komórek, taką jak białka, kwasy nukleinowe i organelle. Jest to przydatne do ekstrakcji składników wewnątrzkomórkowych do analizy lub do lizy komórek w procesach mikrobiologicznych i biotechnologicznych.

• Homogenizacja: Pomaga w równomiernym mieszaniu składników próbki, zwłaszcza w przypadku niemieszających się cieczy lub przy dążeniu do uzyskania jednorodnej mieszaniny materiałów.
• Ekstrakcja białek: W biologii, proteomice i naukach o życiu analiza białek jest bardzo częstym zadaniem. Zanim białka można poddać analizie w testach, należy je wyekstrahować z wnętrza komórki i wyizolować. Zastosowanie sonikatorów jest najczęściej stosowaną metodą ekstrakcji białek.
• Fragmentacja DNA: DNA i RNA to odrębne rodzaje kwasów nukleinowych, które przechowują i kodują informację genetyczną w komórkach. Podczas analizy DNA i RNA długie nici trzeba niekiedy poddać fragmentacji – procesowi, który można niezawodnie i wydajnie przeprowadzić za pomocą sonikacji.
• Przygotowanie próbek: W badaniach i analizie przygotowanie próbek jest powszechną procedurą poprzedzającą zastosowanie różnych technik analitycznych. Dezintegracja ultradźwiękowa może pomóc w rozpuszczaniu lub dyspergowaniu próbek, co może poprawić dokładność i powtarzalność analiz.

Zalety dezintegracji ultradźwiękowej

Dlaczego warto stosować sonikator sondowy do dezintegracji, rozbijania komórek oraz ekstrakcji cząsteczek wewnątrzkomórkowych i białek? Sonikator lub ultradźwiękowy dezintegrator oferuje liczne zalety, które sprawiają, że sonikacja jest technologią lepszą od innych metod dezintegracji, takich jak homogenizacja wysokociśnieniowa, mielenie w młynie kulowym czy mikrofluidyzacja.

• Metoda nietermiczna: Dezintegracja ultradźwiękowa jest metodą nietermiczną, co oznacza, że nie wykorzystuje ciepła do rozbijania materiałów. Jest to korzystne w zastosowaniach, w których wysokie temperatury mogłyby powodować degradację próbek wrażliwych na ciepło.
• Precyzja i kontrola: Proces można kontrolować z dużą precyzją, co pozwala na określony sposób rozbijania, mieszania lub zmniejszania wielkości cząstek.
• Szybkość i wydajność: Sonikacja jest na ogół szybką i wydajną metodą, dzięki czemu nadaje się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności przetwarzania.
• Mniejsze zużycie substancji chemicznych: W wielu przypadkach dezintegracja ultradźwiękowa może ograniczyć zapotrzebowanie na agresywne substancje chemiczne lub rozpuszczalniki organiczne, co może być korzystne dla środowiska i zmniejszać ryzyko zanieczyszczenia chemicznego.
• Bez mediów mielących i dysz: Alternatywne techniki dezintegracji, takie jak mielenie w młynach kulowych lub kulkowych czy stosowanie homogenizatorów wysokociśnieniowych, mają swoje wady. Mielenie w młynach kulowych lub kulkowych wymaga użycia mediów mielących (kulek lub perełek), które trzeba pracochłonnie oddzielać i czyścić. Homogenizatory wysokociśnieniowe mają dysze podatne na zatykanie. Natomiast homogenizatory ultradźwiękowe są łatwe w użyciu, wysoce niezawodne i wytrzymałe oraz wymagają bardzo niewielkiej konserwacji.
• Wszechstronność: Można ją stosować do szerokiego zakresu materiałów, w tym bakterii, komórek roślinnych, tkanek ssaków, glonów, grzybów itp., co czyni ją wszechstronną techniką w różnych dziedzinach.
  Skalowalność: Technikę ultradźwiękową można skalować do procesów przemysłowych, dzięki czemu nadaje się zarówno do zastosowań laboratoryjnych, jak i do produkcji na dużą skalę.

Zasada działania dezintegracji ultradźwiękowej i rozbijania komórek

Sonikacja wytwarza w poddawanej jej cieczy naprzemienne fale wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe tworzą w cieczy małe pęcherzyki próżniowe, które gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego wywołuje silne hydrodynamiczne siły ścinające, które powodują najpierw sonoporację, a następnie skuteczne rozbijanie struktur komórkowych. Cząsteczki wewnątrzkomórkowe i organelle zostają całkowicie uwolnione do rozpuszczalnika.

Ultradźwiękowa dezintegracja struktur komórkowych

Siły ścinające mogą rozdrabniać włóknisty materiał celulozowy na drobne cząstki i rozbijać ściany struktur komórkowych. Powoduje to uwalnianie do cieczy większej ilości materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak skrobia lub cukier. Ponadto materiał ścian komórkowych jest rozbijany na drobne fragmenty.

Efekt ten można wykorzystać w fermentacji, trawieniu i innych procesach przekształcania materii organicznej. Po mieleniu i rozdrabnianiu sonikacja udostępnia enzymom przekształcającym skrobię w cukry większą ilość materiału wewnątrzkomórkowego, np. skrobi, a także fragmentów ścian komórkowych. Zwiększa również powierzchnię dostępną dla enzymów podczas upłynniania lub scukrzania. Zazwyczaj zwiększa to szybkość i wydajność fermentacji drożdżowej oraz innych procesów przekształcania, np. w celu zwiększenia produkcji etanolu z biomasy.

Stosuj dezintegrację ultradźwiękową – niezawodnie i wydajnie w każdej skali

Sonikatory Hielscher są dostępne w różnych wariantach mocy i wydajności przetwarzania. Niezależnie od tego, czy chcesz poddawać sonikacji małe próbki biologiczne o objętości od kilku mikrolitrów do kilku litrów, czy potrzebujesz przetwarzać duże strumienie komórek lub biomasy do celów produkcyjnych, Hielscher Ultrasonics zaoferuje Ci ultradźwiękowy dezintegrator najlepiej dopasowany do Twojego zastosowania biologicznego.

• skala laboratoryjna dla objętości od 1mL do ok. 5L, np. UP400St z sonotrodą 22mm
• skala stanowiskowa przy natężeniu przepływu od ok. 0,1 do 20L/min, np. UIP1000hdT z sonotrodą 34mm i komorą przepływową
• skala produkcyjna od 20L/min, np. UIP4000hdT lub UIP16000hdT

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów laboratoryjnych:

Jeśli chcesz otrzymać więcej informacji na temat stosowania urządzeń ultradźwiękowych do dezintegracji komórek, skorzystaj z poniższego formularza. Chętnie Ci pomożemy.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów przemysłowych:

Literatura / Źródła

• 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.