Ultradźwięki są skutecznym sposobem dezintegracji struktur komórkowych. Dlatego sonikatory są szeroko stosowane w laboratoriach do rozbijania otwartych komórek, ekstrakcji cząsteczek wewnątrzkomórkowych, białek i organelli do badań i analiz. Na skalę przemysłową ultradźwiękowa dezintegracja i liza jest wykorzystywana do izolowania cząsteczek z fabryk komórkowych lub do promowania 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 zakłócania struktur molekularnych w ciekłym ośrodku. Technika ta jest powszechnie stosowana w różnych zastosowaniach naukowych i przemysłowych do kilku celów:

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

• Homogenizacja: Pomaga w równomiernym mieszaniu składników w próbce, szczególnie w przypadku niemieszających się cieczy lub gdy próbuje się uzyskać spójną mieszankę materiałów.
• Ekstrakcja białek: W biologii, proteomice i naukach przyrodniczych, analiza białek jest bardzo powszechnym zadaniem. Zanim białka będą mogły być analizowane w testach, muszą zostać wyekstrahowane z wnętrza komórki i wyizolowane. Sonikatory są najczęściej stosowaną metodą ekstrakcji białek.
• Fragmentacja DNA: DNA i RNA to różne rodzaje kwasów nukleinowych, które przechowują i kodują informacje genetyczne w komórkach. Gdy DNA i RNA są analizowane, długie nici muszą czasami zostać pofragmentowane, a proces ten może być niezawodnie i skutecznie przeprowadzony za pomocą sonikacji.
• Przygotowanie próbki: W badaniach i analizach przygotowanie próbek jest powszechną procedurą przed różnymi technikami analitycznymi. Dezintegracja ultradźwiękowa może pomóc w rozpuszczeniu lub rozproszeniu próbek, co może poprawić dokładność i powtarzalność analiz.

Zalety dezintegracji ultradźwiękowej

Dlaczego warto używać sonikatora do dezintegracji, rozbijania komórek i ekstrakcji wewnątrzkomórkowych cząsteczek i białek? Sonikator lub demembrator ultradźwiękowy oferuje liczne zalety, które sprawiają, że sonikacja jest lepszą technologią w porównaniu z innymi metodami dezintegracji, takimi jak homogenizacja wysokociśnieniowa, frezowanie kulowe lub mikrofluidyzacja.

• Nietermiczny: Dezintegracja ultradźwiękowa jest metodą nietermiczną, co oznacza, że nie opiera się na cieple w celu rozbicia materiałów. Jest to korzystne w przypadku zastosowań, w których wysokie temperatury mogłyby spowodować degradację próbek wrażliwych na ciepło.
• Precyzyjny i kontrolowany: Proces może być kontrolowany z dużą precyzją, umożliwiając specyficzne rozbijanie, mieszanie lub redukcję wielkości cząstek.
• Szybkość i wydajność: Ultradźwięki są na ogół szybką i skuteczną metodą, dzięki czemu nadają się do zastosowań o wysokiej wydajności.
• Mniejsze zużycie środków chemicznych: W wielu przypadkach dezintegracja ultradźwiękowa może zmniejszyć potrzebę stosowania agresywnych chemikaliów lub rozpuszczalników organicznych, które mogą być przyjazne dla środowiska i zmniejszać ryzyko zanieczyszczenia chemicznego.
• Brak środków mielących, brak dysz: Alternatywne techniki dezintegracji, takie jak mielenie kulkowe lub homogenizatory wysokociśnieniowe, mają swoje wady. Frezowanie kulek wymaga użycia środków mielących (kulek lub perełek), które muszą być pracochłonnie oddzielane i czyszczone. Homogenizatory wysokociśnieniowe mają dysze, które są podatne na zatykanie. Z kolei homogenizatory ultradźwiękowe są łatwe w użyciu, wysoce niezawodne i wytrzymałe, wymagając bardzo niewielkiej konserwacji.
• Wszechstronność: Może być stosowana do szerokiej gamy materiałów, w tym bakterii, komórek roślinnych, tkanek ssaków, glonów, grzybów itp., co czyni ją wszechstronną techniką w różnych dziedzinach.
  Skalowalność: Technika ultradźwiękowa może być skalowana do procesów przemysłowych, dzięki czemu nadaje się zarówno do zastosowań laboratoryjnych, jak i produkcyjnych na dużą skalę.

Zasada działania dezintegracji ultradźwiękowej i rozbijania komórek

Ultradźwięki generują naprzemienne fale wysokociśnieniowe i niskociśnieniowe w narażonej cieczy. Podczas cyklu niskociśnieniowego fale ultradźwiękowe tworzą małe pęcherzyki próżniowe w cieczy, które gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokociśnieniowego. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje silne hydrodynamiczne siły ścinające, które powodują pierwszą sonoporację, a następnie skuteczne rozerwanie struktur komórkowych. Wewnątrzkomórkowe cząsteczki i organelle są całkowicie uwalniane do rozpuszczalnika.

Rozpad struktur komórkowych przez ultradźwięk

Siły ścinające mogą rozbijać włóknisty materiał celulozowy na drobne cząstki i rozbijać ściany struktury komórkowej. Powoduje to uwolnienie większej ilości materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak skrobia lub cukier, do cieczy. Ponadto materiał ściany komórkowej jest rozbijany na drobne cząstki.

Efekt ten może być stosowany do fermentacji, trawienia oraz innych procesów przemiany materii organicznej. Po zmieleniu i szlifowania, ultradźwięki czyni bardziej materiału wewnątrzkomórkowego np skrobi, jak również resztek ścian komórkowych dostępnych enzymów przekształcających skrobi w cukry. To powoduje ponadto zwiększają pole powierzchni wystawionej na działanie enzymów podczas scukrzania i upłynniania. To jest zwykle zwiększa szybkość i wydajność fermentacji drożdży i innych procesów konwersji, np w celu zwiększenia produkcji etanolu z biomasy.

Użyj dezintegracji ultradźwiękowej – Niezawodnie i wydajnie w dowolnej skali

Sonikatory Hielscher są dostępne z różnymi mocami znamionowymi i możliwościami przetwarzania. Niezależnie od tego, czy chcesz sonifikować małe próbki biologiczne od kilku mikrolitrów do kilku litrów, czy też potrzebujesz przetwarzać duże strumienie komórek lub biomasy do produkcji, Hielscher Ultrasonics zaoferuje Ci najbardziej odpowiedni ultradźwiękowy demembrator do Twojego zastosowania biologicznego.

• skala laboratoryjna 1mL ok 5 l np. UP400St z sonotrodą 22 mm
• skala stacjonarna około 0,1-20L/min, np. UIP1000hdT z sonotrodą 34 mm i celą przepływową
• skala produkcji od 20L/min np. UIP4000hdT lub UIP16000hdT

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultrasonografów laboratoryjnych:

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcieliby Państwo otrzymać więcej informacji dotyczących stosowania urządzeń ultradźwiękowych do rozpadu komórek. Chętnie pomożemy.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultrasonografów przemysłowych:

Literatura / materiały źródłowe