Biosyntetyczna produkcja oligosacharydów mleka ludzkiego

Biosynteza oligosacharydów mleka ludzkiego (HMO) poprzez fermentację lub reakcje enzymatyczne jest złożonym, energochłonnym i często mało wydajnym procesem. Ultradźwięki zwiększają transfer masy pomiędzy substratem a fabrykami komórek i stymulują wzrost i metabolizm komórek. W ten sposób sonikacja intensyfikuje fermentację i procesy biochemiczne, co skutkuje przyspieszoną i bardziej wydajną produkcją HMO.

oligosacharydy mleka ludzkiego

Oligosacharydy mleka ludzkiego (HMO), znane również jako glikany mleka ludzkiego, to cząsteczki cukru należące do grupy oligosacharydów. Wybitne przykłady HMO obejmują 2'-fukozylolaktozę (2′-FL), lakto-N-neotetraoza (LNnT), 3'-galaktozylolaktoza (3′-GL) i difukozylolaktozę (DFL).
Podczas gdy ludzkie mleko matki składa się z ponad 150 różnych struktur HMO, tylko 2′-fukozylolaktoza (2′-FL) i lakto-N-neotetraoza (LNnT) są obecnie produkowane na poziomie komercyjnym i stosowane jako dodatki odżywcze w mieszankach dla niemowląt.
Oligosacharydy mleka kobiecego (HMO) są znane ze swojego znaczenia w żywieniu niemowląt. Oligosacharydy mleka ludzkiego są unikalnym rodzajem składników odżywczych, które działają jako prebiotyki, antyadhezyjne środki przeciwdrobnoustrojowe i immunomodulatory w jelitach niemowlęcia i znacząco przyczyniają się do rozwoju mózgu. HMO znajdują się wyłącznie w ludzkim mleku matki; inne mleka ssaków (np. krowie, kozie, owcze, wielbłądzie itp.) nie mają tej specyficznej formy oligosacharydów.
Oligosacharydy mleka ludzkiego są trzecim najobficiej występującym stałym składnikiem mleka ludzkiego, który może występować w postaci rozpuszczonej, zemulgowanej lub zawieszonej w wodzie. Laktoza i kwasy tłuszczowe są najliczniejszymi składnikami stałymi występującymi w mleku ludzkim. HMO są obecne w stężeniu 0,35-0,88 uncji (9,9-24,9 g)/L. Znanych jest około 200 strukturalnie różnych oligosacharydów mleka ludzkiego. Dominującym oligosacharydem u 80% wszystkich kobiet jest 2′-fukozylolaktozę, która jest obecna w ludzkim mleku w stężeniu około 2,5 g/l.
Ponieważ HMO nie są trawione, nie przyczyniają się kalorycznie do odżywiania. Będąc niestrawnymi węglowodanami, działają jako prebiotyki i są selektywnie fermentowane przez pożądaną mikroflorę jelitową, zwłaszcza bifidobakterie.

Biosynteza oligosacharydów mleka ludzkiego

Fabryki komórkowe i systemy enzymatyczne / chemo-enzymatyczne są obecnie technologiami stosowanymi do syntezy HMO. W przypadku produkcji HMO na skalę przemysłową, fermentacja mikrobiologicznych fabryk komórkowych, synteza biochemiczna i różne reakcje enzymatyczne są wykonalnymi sposobami bioprodukcji HMO. Ze względów ekonomicznych biosynteza za pośrednictwem fabryk komórek drobnoustrojów jest obecnie jedyną techniką stosowaną na poziomie produkcji przemysłowej HMO.

Fermentacja HMO przy użyciu fabryk komórek drobnoustrojów

E. coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis są powszechnie stosowanymi fabrykami komórek wykorzystywanymi do bioprodukcji cząsteczek biologicznych, takich jak HMO. Fermentacja to proces biochemiczny wykorzystujący mikroorganizmy do przekształcania substratu w docelowe cząsteczki biologiczne. Mikrobiologiczne fabryki komórek wykorzystują cukry proste jako substrat, który przekształcają w HMO. Ponieważ cukry proste (np. laktoza) są obfitym, tanim substratem, proces biosyntezy jest opłacalny.
Na wzrost i szybkość biokonwersji wpływa głównie transfer masy składników odżywczych (substratu) do mikroorganizmów. Szybkość transferu masy jest głównym czynnikiem wpływającym na syntezę produktu podczas fermentacji. Ultradźwięki są dobrze znane z promowania transferu masy.
Podczas fermentacji warunki w bioreaktorze muszą być stale monitorowane i regulowane, aby komórki mogły rosnąć tak szybko, jak to możliwe, a następnie wytwarzać docelowe biomolekuły (np. oligosacharydy, takie jak HMO; insulina; rekombinowane białka). Teoretycznie tworzenie produktu rozpoczyna się, gdy tylko kultura komórkowa zaczyna rosnąć. Jednak szczególnie w genetycznie zmodyfikowanych komórkach, takich jak zmodyfikowane mikroorganizmy, jest to zwykle indukowane później przez dodanie substancji chemicznej do podłoża, co zwiększa ekspresję docelowej biomolekuły. Bioreaktory ultradźwiękowe (sono-bioreaktor) mogą być precyzyjnie kontrolowane i pozwalają na specyficzną stymulację mikroorganizmów. Skutkuje to przyspieszoną biosyntezą i wyższą wydajnością.
Ultradźwiękowa liza i ekstrakcja: Fermentacja złożonych HMO może być ograniczona przez niskie miana fermentacyjne i produkty pozostające wewnątrzkomórkowo. Ultradźwiękowa liza i ekstrakcja jest stosowana do uwalniania materiału wewnątrzkomórkowego przed oczyszczaniem i procesami niższego szczebla.

Fermentacja wspomagana ultradźwiękami

Tempo wzrostu drobnoustrojów, takich jak Escherichia coli, zmodyfikowana E. coli, Saccharomyces cerevisiae i Lactococcus lactis, można przyspieszyć poprzez zwiększenie szybkości przenoszenia masy i przepuszczalności ściany komórkowej poprzez zastosowanie kontrolowanej ultradźwięków o niskiej częstotliwości. Jako łagodna, nietermiczna technika przetwarzania, ultradźwięki stosują czysto mechaniczne siły w bulionie fermentacyjnym.
Kawitacja akustyczna: Zasada działania sonikacji opiera się na kawitacji akustycznej. Sonda ultradźwiękowa (sonotroda) sprzęga fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości z medium. Fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz, tworząc naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) / niskiego ciśnienia (rozrzedzenie). Ściskanie i rozciąganie cieczy w naprzemiennych cyklach powoduje powstawanie drobnych pęcherzyków próżniowych. Te małe pęcherzyki próżniowe rosną przez kilka cykli, aż osiągną rozmiar, w którym nie mogą absorbować dalszej energii. W tym punkcie maksymalnego wzrostu, pęcherzyk próżniowy imploduje gwałtownie i generuje lokalnie ekstremalne warunki, znane jako zjawisko kawitacji. W kawitacyjnym "gorącym punkcie" można zaobserwować wysokie różnice ciśnienia i temperatury oraz intensywne siły ścinające ze strumieniami cieczy o prędkości do 280 m/s. Dzięki tym efektom kawitacyjnym uzyskuje się dokładny transfer masy i sonoporację (perforację ścian komórkowych i błon komórkowych). Składniki odżywcze podłoża są unoszone do i do żywych całych komórek, dzięki czemu fabryki komórek są optymalnie odżywione, a wzrost i współczynniki konwersji są przyspieszane. Bioreaktory ultradźwiękowe są prostą, ale bardzo skuteczną strategią przetwarzania biomasy w procesie biosyntezy jednopunktowej.
Precyzyjnie kontrolowana, łagodna sonikacja jest dobrze znana z intensyfikacji procesów fermentacji.
Sonikacja poprawia "wydajność wielu bioprocesów z udziałem żywych komórek poprzez zwiększenie wychwytu substratu, zwiększoną produkcję lub wzrost poprzez zwiększenie porowatości komórek i potencjalnie zwiększone uwalnianie składników komórkowych". (Naveena et al. 2015)
Przeczytaj więcej o fermentacji wspomaganej ultradźwiękami!

Naveena et al. (2015) stwierdzili, że intensyfikacja ultradźwiękowa oferuje kilka zalet podczas bioprzetwarzania, w tym niskie koszty operacyjne w porównaniu z innymi opcjami obróbki wzmacniającej, prostotę obsługi i niewielkie zapotrzebowanie na moc.

Wysokowydajne ultradźwiękowe reaktory fermentacyjne

Procesy fermentacji obejmują żywe mikroorganizmy, takie jak bakterie lub drożdże, które funkcjonują jako fabryki komórek. Podczas gdy sonikacja jest stosowana w celu promowania transferu masy i zwiększenia wzrostu mikroorganizmów i szybkości konwersji, kluczowe znaczenie ma precyzyjne kontrolowanie intensywności ultradźwięków w celu uniknięcia zniszczenia fabryk komórek.
Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w projektowaniu, produkcji i dystrybucji wysokowydajnych ultrasonografów, które mogą być precyzyjnie kontrolowane i monitorowane w celu zapewnienia najwyższej wydajności fermentacji.

Kontrola procesu jest nie tylko niezbędna dla uzyskania wysokiej wydajności i najwyższej jakości, ale także umożliwia powtarzanie i odtwarzanie wyników. Zwłaszcza jeśli chodzi o stymulację fabryk komórek, specyficzne dla komórek dostosowanie parametrów sonikacji jest niezbędne do osiągnięcia wysokiej wydajności i zapobiegania degradacji komórek. Dlatego wszystkie cyfrowe modele ultrasonografów Hielscher są wyposażone w inteligentne oprogramowanie, które umożliwia regulację, monitorowanie i rewizję parametrów sonikacji. Parametry procesu ultradźwiękowego, takie jak amplituda, temperatura, ciśnienie, czas trwania sonikacji, cykle pracy i pobór energii są niezbędne do promowania produkcji HMO poprzez fermentację.
Inteligentne oprogramowanie ultrasonografów Hielscher automatycznie rejestruje wszystkie ważne parametry procesu na zintegrowanej karcie SD. Automatyczne rejestrowanie danych procesu sonikacji jest podstawą standaryzacji procesu i odtwarzalności / powtarzalności, które są wymagane dla Dobrych Praktyk Produkcyjnych (GMP).

Rektory ultradźwiękowe do fermentacji

Firma Hielscher oferuje sondy ultradźwiękowe o różnych rozmiarach, długościach i geometriach, które mogą być stosowane zarówno do obróbki wsadowej, jak i ciągłej. Reaktory ultradźwiękowe, znane również jako sono-bioreaktory, są dostępne dla każdej objętości obejmującej ultradźwiękowe bioprzetwarzanie od małych próbek laboratoryjnych do pilotażowego i w pełni komercyjnego poziomu produkcji.
Powszechnie wiadomo, że położenie sonotrody ultradźwiękowej w naczyniu reakcyjnym wpływa na rozkład kawitacji i mikrostrumienia w medium. Sonotroda i reaktor ultradźwiękowy powinny być dobrane zgodnie z objętością przetwarzania bulionu komórkowego. Podczas gdy sonikacja może być wykonywana zarówno w trybie wsadowym, jak i ciągłym, w przypadku dużych ilości produkcyjnych zaleca się stosowanie instalacji o przepływie ciągłym. Przechodząc przez ultradźwiękową komórkę przepływową, cała pożywka komórkowa uzyskuje dokładnie taką samą ekspozycję na sonikację, zapewniając najbardziej skuteczne leczenie. Szeroka gama sond ultradźwiękowych i reaktorów przepływowych firmy Hielscher Ultrasonics pozwala na montaż idealnej ultradźwiękowej konfiguracji bioprocesowej.

Hielscher Ultrasonics – Od laboratorium przez pilotaż do produkcji

Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum urządzeń ultradźwiękowych, oferując kompaktowe ręczne homogenizatory ultradźwiękowe do przygotowywania próbek do systemów stołowych i pilotażowych, a także potężne przemysłowe jednostki ultradźwiękowe, które z łatwością przetwarzają ładunki ciężarówek na godzinę. Będąc wszechstronnymi i elastycznymi w instalacji i opcjach montażu, ultradźwięki Hielscher można łatwo zintegrować z wszelkiego rodzaju reaktorami wsadowymi, wsadami podawanymi lub ciągłymi konfiguracjami przepływowymi.
Różne akcesoria, a także niestandardowe części pozwalają na idealne dostosowanie konfiguracji ultradźwiękowej do wymagań procesu.
Zbudowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem i w trudnych warunkach, procesory ultradźwiękowe Hielscher są niezawodne i wymagają jedynie niewielkiej konserwacji.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: