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.
- promowanie rozwoju niemowląt
- są ważne dla rozwoju mózgu
- ma działanie przeciwzapalne i
- działanie antyadhezyjne w przewodzie żołądkowo-jelitowym
- wspiera układ odpornościowy u dorosłych

The Procesor ultradźwiękowy UIP2000hdT zwiększa transfer masy i aktywuje fabryki komórek w celu uzyskania wyższej wydajności biosyntetyzowanych cząsteczek biologicznych, takich jak HMO
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!
- Zwiększona wydajność
- Przyspieszona fermentacja
- Stymulacja specyficzna dla komórek
- Zwiększony pobór substratów
- Zwiększona porowatość komórek
- Łatwy w obsłudze
- Bezpieczny
- Prosta modernizacja
- Skalowanie liniowe
- Przetwarzanie wsadowe lub liniowe
- Szybki zwrot z inwestycji
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.

MultiSonoReactor MSR-4 to przemysłowy homogenizator liniowy odpowiedni do zwiększonej biosyntezy oligosacharydów mleka ludzkiego (HMO).
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:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Wysokiej mocy homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do pilot i Przemysł skala.
Literatura / Referencje
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
Fakty, które warto znać
Biosynteza przy użyciu fabryk komórkowych
Fabryka komórek drobnoustrojów to metoda bioinżynierii, która wykorzystuje komórki drobnoustrojów jako zakład produkcyjny. Poprzez inżynierię genetyczną mikroorganizmów, DNA mikroorganizmów takich jak bakterie, drożdże, grzyby, komórki ssaków lub algi jest modyfikowane, zamieniając mikroby w fabryki komórek. Fabryki komórek są wykorzystywane do przekształcania substratów w cenne cząsteczki biologiczne, które są wykorzystywane np. w produkcji żywności, farmaceutyków, chemii i paliw. Różne strategie biosyntezy opartej na fabrykach komórek mają na celu produkcję natywnych metabolitów, ekspresję heterologicznych szlaków biosyntezy lub ekspresję białek.
Fabryki komórkowe mogą być wykorzystywane do syntezy natywnych metabolitów, ekspresji heterologicznych szlaków biosyntezy lub ekspresji białek.
Biosynteza natywnych metabolitów
Metabolity natywne są definiowane jako cząsteczki biologiczne, które komórki używane jako fabryka komórek wytwarzają naturalnie. Fabryki komórek wytwarzają te cząsteczki biologiczne wewnątrzkomórkowo lub jako substancje wydzielane. Preferowany jest ten drugi sposób, ponieważ ułatwia on oddzielanie i oczyszczanie docelowych związków. Przykładami natywnych metabolitów są aminokwasy i kwasy nukleinowe, antybiotyki, witaminy, enzymy, związki bioaktywne i białka wytwarzane ze szlaków anabolicznych komórki.
Ścieżki biosyntezy Heterologus
Podczas próby wyprodukowania interesującego związku, jedną z najważniejszych decyzji jest wybór produkcji w rodzimym gospodarzu i optymalizacja tego gospodarza lub przeniesienie szlaku do innego dobrze znanego gospodarza. Jeśli oryginalny gospodarz może być dostosowany do przemysłowego procesu fermentacji i nie ma przy tym zagrożeń dla zdrowia (np. wytwarzanie toksycznych produktów ubocznych), może to być preferowana strategia (jak miało to miejsce np. w przypadku penicyliny). Jednak w wielu współczesnych przypadkach potencjał wykorzystania preferowanej przemysłowo fabryki komórek i powiązanych procesów platformowych przewyższa trudności związane z przeniesieniem ścieżki.
ekspresja białka
Ekspresję białek można osiągnąć na drodze homologicznej i heterologicznej. W przypadku ekspresji homologicznej gen, który jest naturalnie obecny w organizmie, ulega nadekspresji. Dzięki tej nadekspresji można uzyskać wyższą wydajność określonej cząsteczki biologicznej. W przypadku ekspresji heterologicznej, określony gen jest przenoszony do komórki gospodarza, w której gen nie występuje naturalnie. Wykorzystując inżynierię komórkową i technologię rekombinacji DNA, gen jest wprowadzany do DNA gospodarza, dzięki czemu komórka gospodarza wytwarza (duże) ilości białka, którego nie wytworzyłaby naturalnie. Ekspresję białek przeprowadza się u różnych gospodarzy, od bakterii, np. E. coli i Bacillis subtilis, drożdży, np. Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, grzybów nitkowatych, np. A. niger, i komórek pochodzących z organizmów wielokomórkowych, takich jak ssaki i owady. Białka niekomórkowe cieszą się dużym zainteresowaniem komercyjnym, w tym jako enzymy luzem, złożone biofarmaceutyki, diagnostyka i odczynniki badawcze. (por. A.M. Davy et al. 2017)