Liza ultradźwiękowa komórek bioinżynieryjnych w produkcji przemysłowej

Bioinżynieryjne gatunki bakterii, takie jak E. coli, jak również genetycznie modyfikowane komórki ssaków i roślin są szeroko stosowane w biotechnologii do ekspresji molekuł. Aby uwolnić zsyntetyzowane biomolekuły, konieczna jest niezawodna technika rozbijania komórek. Wysokowydajna ultradźwięki to sprawdzona metoda wydajnej i niezawodnej lizy komórek. – łatwo skalowalne do dużych wydajności. Firma Hielscher Ultrasonics oferuje Państwu wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do efektywnej lizy komórek w celu uzyskania dużych ilości wysokiej jakości biomolekuł.

Ekstrakcja molekuł z fabryk komórkowych

Do produkcji szerokiej gamy biomolekuł, jako fabryki komórek mikrobiologicznych można wykorzystać różne zmodyfikowane mikroby i komórki roślinne, w tym Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana i algi, wśród wielu innych. Te fabryki komórkowe mogą produkować białka, lipidy, biochemikalia, polimery, biopaliwa i oleochemikalia, które są wykorzystywane jako żywność lub surowiec do zastosowań przemysłowych. Komórki wykorzystywane jako fabryki komórek są hodowane w zamkniętych bioreaktorach, gdzie mogą osiągnąć wysoką wydajność, specyficzność i niskie zapotrzebowanie na energię.
Aby wyizolować docelowe cząsteczki z bioinżynieryjnych hodowli komórkowych, komórki muszą zostać rozbite, tak aby materiał wewnątrzkomórkowy został uwolniony. Ultradźwiękowe urządzenia do rozbijania komórek są dobrze znane jako wysoce niezawodna i wydajna technika dezintegracji komórek i uwalniania związków.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowa dezintegracja komórek jest wykorzystywana do izolacji związków z fabryk komórek bakteryjnych.

Ultradźwiękowe dezintegratory komórkowe, takie jak UIP2000hdT są wykorzystywane do izolowania związków z fabryk komórek bakteryjnych.

Fabryki komórek mikrobiologicznych to zmodyfikowane metabolicznie komórki wykorzystywane do syntezy różnych związków, takich jak substancje bioaktywne, aktywne składniki farmaceutyczne (API), biopaliwa, polimery i białka. Ultradźwiękowe dezintegratory komórek są niezawodne, szybkie i wydajne, jeśli chodzi o izolację tych cennych związków z wnętrza komórek.

Fabryki komórek mikrobiologicznych to zmodyfikowane metabolicznie komórki wykorzystywane do syntezy różnych cennych związków. Ultradźwiękowe rozbijanie komórek jest wydajną i niezawodną metodą uwalniania cennych związków z wnętrza komórki.
opracowanie i grafika: ©Villaverde, 2010.

Zalety ultradźwiękowych rozbijaczy komórek

Jako nietermiczna, łagodna, ale wysoce wydajna technologia, zakłócacze ultradźwiękowe są stosowane w laboratoriach i przemyśle do liasu komórek i produkcji wysokiej jakości ekstraktów, np. używanych do izolacji molekuł z fabryk komórkowych.

Dlaczego ultradźwiękowe urządzenia do rozbijania komórek?

  • Wysoka wydajność
  • Nietermiczny, idealny dla substancji wrażliwych na temperaturę
  • Wiarygodne, powtarzalne wyniki
  • Precyzyjna kontrola przetwarzania
  • Skalowalność liniowa do większych przepustowości
  • Dostępne dla przemysłowych mocy produkcyjnych

Ultradźwięki o dużej mocy do skutecznego rozbijania fabryk komórek bakteryjnych

Mechanizm i efekty działania ultradźwiękowych czynników zakłócających pracę komórek:
Ultradźwiękowe rozbijanie komórek jest stosowane w skali laboratoryjnej i przemysłowej do rozbijania metabolicznie zaprojektowanych komórek mikrobiologicznych, tzw. fabryk komórkowych, w celu uwolnienia cennych związków.Ultradźwiękowe rozbijanie komórek wykorzystuje siłę fal ultradźwiękowych. Ultradźwiękowy homogenizator / rozbijacz komórek jest wyposażony w sondę (tzw. sonotrodę) wykonaną ze stopu tytanu, która oscyluje z wysoką częstotliwością ok. 20 kHz. Oznacza to, że sonda ultradźwiękowa wprowadza w sonikowaną ciecz 20.000 drgań na sekundę. Wbudowane w ciecz fale ultradźwiękowe charakteryzują się naprzemiennymi cyklami wysokiego i niskiego ciśnienia. Podczas cyklu niskiego ciśnienia ciecz rozszerza się i powstają drobne pęcherzyki próżniowe. Te bardzo małe pęcherzyki rosną przez kilka naprzemiennych cykli ciśnieniowych, aż nie mogą absorbować dalszej energii. W tym momencie pęcherzyki implodują gwałtownie i tworzą lokalnie środowisko o niezwykłej gęstości energii. Zjawisko to znane jest jako kawitacja akustyczna i charakteryzuje się lokalnie bardzo wysokimi temperaturami, bardzo wysokimi ciśnieniami i siłami ścinającymi. Naprężenia ścinające powodują efektywne pękanie ścian komórkowych i zwiększają transfer masy pomiędzy wnętrzem komórki a otaczającym ją rozpuszczalnikiem. Jako czysto mechaniczna technika, ultradźwiękowo generowane siły ścinające są szeroko stosowane i zalecane do rozbijania komórek bakteryjnych, jak również do izolacji białek. Jako prosta i szybka metoda rozbijania komórek, sonikacja jest idealna do izolacji małych, średnich i dużych objętości. Cyfrowe ultradźwięki firmy Hielscher wyposażone są w przejrzyste menu ustawień dla precyzyjnej kontroli sonikacji. Wszystkie dane sonikacji są automatycznie zapisywane na wbudowanej karcie SD i są łatwo dostępne. Wyszukane możliwości odprowadzania ciepła, jak np. chłodzenie zewnętrzne, sonikacja w trybie pulsacyjnym itd. podczas procesu dezintegracji ultradźwiękowej zapewniają utrzymanie idealnej temperatury procesu, a tym samym nienaruszalność ekstrahowanych związków wrażliwych na ciepło.

Badania podkreślają zalety ultradźwiękowego rozbijania i ekstrakcji komórek

Prof. Chemat i wsp. (2017) w swoim opracowaniu przypominają, że "ekstrakcja wspomagana ultradźwiękami jest ekologiczną i ekonomicznie opłacalną alternatywą dla konwencjonalnych technik dla żywności i produktów naturalnych. Główne korzyści to zmniejszenie czasu ekstrakcji i przetwarzania, ilości zużywanej energii i rozpuszczalników, operacji jednostkowych oraz emisji CO2 ".
Gabig-Ciminska i wsp. (2014) w swoim badaniu wykorzystali homogenizator wysokociśnieniowy oraz ultradźwiękowy dsintegrator komórek do lizy zarodników w celu uwolnienia DNA. Porównując obie metody rozbijania komórek, zespół badawczy stwierdza, że jeśli chodzi o lizę komórek w celu uwolnienia DNA zarodników, "analiza została przeprowadzona przy użyciu lizatów komórkowych z homogenizacji wysokociśnieniowej. Następnie zdaliśmy sobie sprawę, że ultradźwiękowe rozbijanie komórek ma do tego celu wyjątkowe zalety. Jest ono dość szybkie i może być przetwarzane dla małych objętości próbek." (Gabig-Ciminska i in., 2014)

Procesor ultradźwiękowy UIP4000hdT o mocy 4000 W jest używany do rozbijania bioinżynierowanych komórek (tj. fabryk komórek) w celu uwolnienia cząsteczek docelowych.

Przemysłowy ultradźwiękowy dezintegrator komórkowy UIP4000hdT (4000W, 20kHz) do ciągłej izolacji i oczyszczania zsyntetyzowanych związków z fabryk komórek mikrobiologicznych.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Biomolekuły z fabryk komórkowych do produkcji żywności

Fabryki komórek mikrobiologicznych są opłacalną i wydajną metodologią produkcyjną wykorzystującą organizmy mikrobiologiczne do wytwarzania wysokiej wydajności rodzimych i nierodzimych metabolitów poprzez bioinżynierię metaboliczną mikroorganizmów takich jak bakterie, drożdże, grzyby itp. Enzymy luzem są na przykład produkowane przy użyciu mikroorganizmów, takich jak Aspergillus oryzae, grzyby i bakterie. Enzymy te są stosowane w produkcji żywności i napojów, a także w rolnictwie, bioenergii i gospodarstwie domowym.
Niektóre bakterie, takie jak Acetobacter xylinum i Gluconacetobacter xylinus, wytwarzają celulozę w procesie fermentacji, gdzie nanowłókna są syntetyzowane w procesie bottom-up. Celuloza bakteryjna (zwana również celulozą mikrobiologiczną) jest chemicznie równoważna celulozie roślinnej, ale charakteryzuje się wysokim stopniem krystaliczności i wysoką czystością (jest wolna od ligniny, hemicelulozy, pektyn i innych składników biogennych), jak również unikalną strukturą nanowłókien celulozowych - trójwymiarową (3D) siatkowaną siecią. (por. Zhong, 2020) W porównaniu z celulozą pochodzenia roślinnego, celuloza bakteryjna jest bardziej zrównoważona, a produkowana celuloza jest czysta i nie wymaga skomplikowanych etapów oczyszczania. Ultradźwięki i ekstrakcja rozpuszczalnikiem przy użyciu NaOH lub SDS (dodecylosiarczan sodu) są bardzo skuteczne w izolacji celulozy bakteryjnej z komórek bakteryjnych.

Biomolekuły z fabryk komórkowych do produkcji farmaceutyków i szczepionek

Jednym z najbardziej znanych produktów farmaceutycznych pochodzących z fabryk komórkowych jest insulina ludzka. Do bioinżynieryjnej produkcji insuliny wykorzystuje się głównie bakterie E. coli i Saccharomyces cerevisiae. Ponieważ biosyntetyzowane nanocząsteczki charakteryzują się wysoką biokompatybilnością, biologiczne nanocząsteczki, takie jak ferrytyna, są korzystne dla wielu zastosowań biomanufakturowych. Dodatkowo, produkcja w zmodyfikowanych metabolicznie mikrobach jest często znacznie bardziej wydajna w uzyskiwanych plonach. Na przykład, produkcja kwasu artemizynowego, resweratrolu i likopenu wzrosła dziesięciokrotnie do kilkusetkrotności i jest już ustalona lub jest w trakcie opracowywania do produkcji na skalę przemysłową. (por. Liu et al.; Microb. Cell Fact. 2017)
Na przykład, nanocząsteczki biomolekuł o właściwościach samoskładających się, takie jak ferrytyna i cząsteczki wirusopodobne, są szczególnie interesujące dla rozwoju szczepionek, ponieważ naśladują zarówno rozmiar, jak i strukturę patogenów i są podatne na koniugację powierzchniową antygenów w celu promowania interakcji z komórkami odpornościowymi. Cząsteczki takie ulegają ekspresji w tzw. fabrykach komórek (np. w zmodyfikowanych szczepach E. coli), które produkują określoną cząsteczkę docelową.

Protokół ultradźwiękowej lizy i uwalniania ferrytyny z E. coli BL21

Ferrytyna jest białkiem, którego podstawową funkcją jest magazynowanie żelaza. Ferrytyna wykazuje obiecujące możliwości jako samoskładające się nanocząstki w szczepionkach, gdzie jest wykorzystywana jako nośnik szczepionki (np. białka spike SARS-Cov-2). Badania naukowe Sun i in. (2016) pokazują, że rekombinowana ferrytyna może być uwalniana jako forma rozpuszczalna z Escherichia coli przy niskich stężeniach NaCl (≤50 mmol/L). W celu ekspresji ferrytyny w E. coli BL21 i uwolnienia ferrytyny, z powodzeniem zastosowano następujący protokół. Rekombinowany plazmid pET-28a/ferrytyna transformowano do szczepu E coli BL21 (DE3). Komórki E coli BL21 (DE3) z ferrytyną hodowano w podłożu wzrostowym LB z 0,5% kanamycyną w temperaturze 37°C i indukowano przy OD600 równej 0,6 za pomocą 0,4% izopropylo-β-D-tiogalaktoopiranozydu przez 3 godziny w temperaturze 37°C. Ostateczna hodowla była następnie zbierana przez wirowanie przy 8000g przez 10 minut w 4°C, a osad był zbierany. Następnie osad zawieszano ponownie w podłożu LB (1% NaCl, 1% Typone, 0,5% ekstrakt drożdżowy)/bufor lizujący (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7,6) i różne stężenia roztworu NaCl (odpowiednio 0, 50, 100, 170 i 300 mmol/L). Do lizy komórek bakteryjnych zastosowano sonikację w trybie impulsowym: np. przy użyciu sonikatora ultrasonator UP400St przy 100% amplitudzie z cyklem pracy 5 sekund ON, 10 sekund OFF, przez 40 cykli), a następnie odwirowano przy 10 000g przez 15 minut w 4°C. Supernatant i osad analizowano metodą elektroforezy w żelu poliakrylamidowym z dodecylosiarczanem sodu (SDS-PAGE). Wszystkie żele barwione dodecylosiarczanem sodu skanowano przy użyciu skanera o wysokiej rozdzielczości. Obrazy żeli analizowano przy użyciu oprogramowania Magic Chemi 1D. W celu uzyskania optymalnej przejrzystości, pasma białkowe były wykrywane poprzez dostosowanie parametrów. Dane dla pasm zostały wygenerowane z technicznych triplikatów. (por. Sun i in., 2016)

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowe rozbijacze komórek do przemysłowej lizy komórek

Liza i ekstrakcja ultradźwiękowa to niezawodna i wygodna metoda uwalniania metabolitów z fabryk komórkowych, wspomagająca w ten sposób wydajną produkcję cząsteczek docelowych. Ultradźwiękowe urządzenia do rozbijania komórek są dostępne w rozmiarach od laboratoryjnych do przemysłowych, a procesy mogą być skalowane w sposób całkowicie liniowy.
Firma Hielscher Ultrasonics jest kompetentnym partnerem w zakresie wysokowydajnych urządzeń ultradźwiękowych i posiada długoletnie doświadczenie w zakresie implantacji systemów ultradźwiękowych w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych.
Ultradźwiękowe urządzenia firmy Hielscher mogą być zdalnie sterowane za pomocą przeglądarki internetowej. Parametry sonikacji mogą być monitorowane i precyzyjnie dopasowywane do wymagań procesu.Systemy do rozbijania komórek firmy Hielscher Ultrasonics spełniają wszystkie wymagania w zakresie optymalnego sterowania procesem, łatwej obsługi i przyjaznej użytkownikowi technologii. Klienci i użytkownicy ultradźwiękowych urządzeń firmy Hielscher cenią sobie to, że ultradźwiękowe rozbijacze i ekstraktory komórek firmy Hielscher umożliwiają precyzyjne monitorowanie i sterowanie procesem. – za pomocą cyfrowego wyświetlacza dotykowego i zdalnego sterowania przez przeglądarkę. Wszystkie ważne dane sonikacji (np. energia netto, energia całkowita, amplituda, czas trwania, temperatura, ciśnienie) są automatycznie zapisywane jako plik CSV na zintegrowanej karcie SD. Pomaga to w uzyskaniu powtarzalnych i odtwarzalnych wyników oraz ułatwia standaryzację procesu, jak również spełnienie wymogów Dobrej Praktyki Wytwarzania (cGMP).
Oczywiście procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher są przystosowane do pracy 24/7 pod pełnym obciążeniem i dlatego mogą być niezawodnie eksploatowane w przemysłowych warunkach produkcyjnych. Dzięki dużej wytrzymałości i niewielkim nakładom na konserwację czas przestoju urządzeń ultradźwiękowych jest naprawdę niewielki. Funkcje CIP (clean-in-place) i SIP (sterilize-in-place) minimalizują pracochłonne czyszczenie, zwłaszcza że wszystkie części mokre są gładkimi powierzchniami metalowymi (bez ukrytych kryz lub dysz).

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

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!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat procesorów ultradźwiękowych, zastosowań i ceny. Chętnie omówimy z Państwem proces i zaproponujemy Państwu system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowe homogenizatory o wysokim ścinaniu są stosowane w laboratoriach, na stanowiskach badawczych, w procesach pilotażowych i przemysłowych.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.



Literatura / materiały źródłowe

Fakty Warto wiedzieć

Sono-Bioreaktory

Ultradźwięki są stosowane z jednej strony do rozbijania komórek w celu uwolnienia związków wewnątrzkomórkowych, z drugiej strony jednak, przy zastosowaniu łagodniejszych amplitud i/lub pulsujących impulsów ultradźwiękowych, sonikacja może znacznie zwiększyć wydajność metaboliczną komórek bakteryjnych, roślinnych i zwierzęcych w bioreaktorach, a tym samym pobudzić procesy biotechnologiczne. Sondy ultradźwiękowe mogą być w prosty sposób zintegrowane w bioreaktorach (tzw. sono-bioreaktorach) w celu zwiększenia efektywności żywych biokatalizatorów. Ultradźwięki firmy Hielscher umożliwiają precyzyjne sterowanie warunkami ultradźwiękowymi, które mogą być optymalnie dostrojone do wysokiej konwersji katalitycznej żywych komórek. Dowiedz się więcej o sondach ultradźwiękowych firmy Hielscher do sonobioreaktorów i efektach biokatalizy wspomaganej ultradźwiękami!

Fabryki komórkowe i synteza metabolitów

Różne mikroorganizmy mogą syntetyzować podobne metabolity, na przykład do produkcji aminokwasów z powodzeniem stosowano Corynebacterium, Brevibacterium i Escherichia coli; witaminy syntetyzowano przy użyciu Propionibacterium i Pseudomonas; kwasy organiczne otrzymywane są z Aspergillus, Lactobacillus, Rhizopus; enzymy mogą być wytwarzane przez Aspergillus i Bacillus; antybiotyki mogą być produkowane przez Streptomyces i Penicillium; a do produkcji biosurfaktantów powszechnie tworzone Pseudomonas, Bacillus i Lactobacillus są używane jako fabryki komórek.

E. Coli jako fabryki komórek mikrobiologicznych

Bakteria E. coli i jej liczne szczepy są szeroko stosowane w biologii molekularnej i stały się jednym z pierwszych wydajnych modeli komórkowych wykorzystywanych jako fabryki komórek bakteryjnych do produkcji białek rekombinowanych, biopaliw i różnych innych substancji chemicznych. E. coli posiada naturalną zdolność do produkcji wielu związków chemicznych, która została udoskonalona dzięki bioinżynierii i modyfikacjom genetycznym. Na przykład, poprzez przeniesienie heterologicznych enzymów, zdolność E. coli do wytwarzania wielu produktów została zmodyfikowana w celu opracowania nowych ścieżek biosyntezy.
(Antonio Valle, Jorge Bolívar: Chapter 8 – Escherichia coli, the workhorse cell factory for the production of chemicals. In: Editor(s): Vijai Singh, Microbial Cell Factories Engineering for Production of Biomolecules, Academic Press, 2021. 115-137.)

Streptomyces jako fabryki komórek mikrobiologicznych

Streptomyces to największa grupa promieniowców; gatunki Streptomyces są szeroko rozpowszechnione w ekosystemach wodnych i lądowych. Członkowie rodzaju Streptomyces są przedmiotem zainteresowania ze względu na ich zdolność do wytwarzania ogromnej liczby biomolekuł i bioaktywnych metabolitów wtórnych. Wytwarzają one antybiotyki użyteczne klinicznie, takie jak tetracykliny, aminoglikozydy, makrolidy, chloramfenikol i rifamycyny. Oprócz antybiotyków Streptomyces wytwarzają również inne bardzo cenne produkty farmaceutyczne, w tym leki przeciwnowotworowe, immunostymulujące, immunosupresyjne, antyoksydacyjne, insektycydy i leki przeciwpasożytnicze, które mają szerokie zastosowanie w medycynie i rolnictwie.
Gatunki Streptomyces wytwarzają szereg enzymów o znaczeniu medycznym, w tym L-asparaginazę, urykazę i oksydazę cholesterolową. Wiele bakterii z rodzaju Actinomycetes może produkować enzymy o znaczeniu przemysłowym, takie jak celulaza, chitynaza, chitozanaza, α-amylaza, proteaza i lipaza. Wiele gatunków aktynomycetes może produkować różne pigmenty, które są potencjalnie dobrą alternatywą dla syntetycznych barwników. Gatunki Streptomyces mają dużą zdolność do produkcji aktywnych biomolekuł powierzchniowych, w tym bioemulgatorów i biosurfaktantów. Przeciwcukrzycowa akarboza była produkowana przez szczepy Streptomyces w procesie fermentacji mikrobiologicznej. Gatunki Streptomyces wykazały zdolność do syntezy inhibitorów syntezy cholesterolu, takich jak pravastatyna. Ostatnio, gatunki Streptomyces mogą być wykorzystywane jako przyjazne dla środowiska "nanofabryki" do syntezy nanocząstek. Niektóre gatunki Streptomyces są obiecujące dla produkcji witaminy B12.
(Noura El-Ahmady El-Naggar: Chapter 11 – Streptomyces-based cell factories for production of biomolecules and bioactive metabolites, In: Editor(s): Vijai Singh, Microbial Cell Factories Engineering for Production of Biomolecules, Academic Press, 2021. 183-234.)


Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Paleta produktów firmy Hielscher obejmuje pełne spektrum od kompaktowych ultradźwięków laboratoryjnych, poprzez urządzenia stołowe, aż po przemysłowe systemy ultradźwiękowe.

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.