Desintegração ultrassónica de células

A ultrassonicação é um meio eficaz de desintegrar estruturas celulares. Por isso, os sonicadores são amplamente utilizados em laboratórios para romper células e extrair moléculas intracelulares, proteínas e organelos para investigação e análise. À escala industrial, a desintegração ultrassónica e a lise são utilizadas para isolar moléculas de fábricas celulares ou para promover a digestão da biomassa.

O que é a desintegração ultrassónica?

A desintegração ultrassónica, também conhecida como homogeneização ultrassónica, é um processo que utiliza ondas de ultrassons de alta intensidade e baixa frequência para decompor paredes celulares e romper estruturas moleculares num meio líquido. Esta técnica é habitualmente utilizada em diversas aplicações científicas e industriais para várias finalidades:

Rutura celular: A desintegração ultrassónica é amplamente utilizada em biologia celular e biologia molecular para romper membranas celulares, libertando conteúdos celulares como proteínas, ácidos nucleicos e organelos. Isto é útil para extrair componentes intracelulares para análise ou para realizar a lise de células em processos de microbiologia e biotecnologia.

• Homogeneização: Ajuda a misturar uniformemente os componentes de uma amostra, especialmente quando se trabalha com líquidos imiscíveis ou quando se procura obter uma mistura consistente de materiais.
• Extração de proteínas: Em biologia, proteómica e ciências da vida, a análise de proteínas é uma tarefa muito comum. Antes de as proteínas poderem ser analisadas em ensaios, têm de ser extraídas do interior das células e isoladas. Os sonicadores são o método mais utilizado para a extração de proteínas.
• Fragmentação de ADN: O ADN e o ARN são tipos distintos de ácidos nucleicos que armazenam e codificam informação genética nas células. Quando o ADN e o ARN são analisados, as cadeias longas têm, por vezes, de ser fragmentadas, um processo que pode ser realizado de forma fiável e eficiente por sonicação.
• Preparação de amostras: Na investigação e na análise, a preparação de amostras é um procedimento comum antes da aplicação de várias técnicas analíticas. A desintegração ultrassónica pode ajudar a dissolver ou dispersar amostras, o que pode melhorar a exatidão e a reprodutibilidade das análises.

Vantagens da desintegração ultrassónica

Porquê utilizar um sonicador de sonda para a desintegração, a rutura celular e a extração de moléculas intracelulares e proteínas? Um sonicador ou desintegrador ultrassónico oferece inúmeras vantagens que tornam a sonicação uma tecnologia superior quando comparada com outros métodos de desintegração, como a homogeneização a alta pressão, a moagem em moinho de bolas ou a microfluidização.

• Não térmica: A desintegração ultrassónica é um método não térmico, o que significa que não depende do calor para decompor materiais. Isto é vantajoso para aplicações em que temperaturas elevadas poderiam degradar amostras sensíveis ao calor.
• Precisa e controlada: O processo pode ser controlado com elevada precisão, permitindo operações específicas de rutura, mistura ou redução do tamanho das partículas.
• Rápida e eficiente: A ultrassonicação é geralmente um método rápido e eficiente, sendo adequada para aplicações com elevada capacidade de processamento.
• Menor utilização de produtos químicos: Em muitos casos, a desintegração ultrassónica pode reduzir a necessidade de produtos químicos agressivos ou solventes orgânicos, o que pode ser benéfico para o ambiente e reduzir o risco de contaminação química.
• Sem meios de moagem, sem bocais: As técnicas alternativas de desintegração, como a moagem em moinhos de bolas ou de esferas, ou os homogeneizadores de alta pressão, apresentam desvantagens. A moagem em moinhos de bolas ou de esferas exige a utilização de meios de moagem (esferas ou pérolas), cuja separação e limpeza são trabalhosas. Os homogeneizadores de alta pressão têm bocais propensos a entupir. Em contrapartida, os homogeneizadores ultrassónicos são fáceis de utilizar, muito fiáveis e robustos, exigindo muito pouca manutenção.
• Versatilidade: Pode ser aplicada a uma vasta gama de materiais, incluindo bactérias, células vegetais, tecidos de mamíferos, algas, fungos, etc., o que a torna uma técnica versátil em vários domínios.
  Escalabilidade: A técnica ultrassónica pode ser ampliada para processos industriais, sendo adequada tanto para aplicações laboratoriais como para produção em grande escala.

O princípio de funcionamento da desintegração ultrassónica e da rutura celular

A ultrassonicação gera ondas alternadas de alta e baixa pressão no líquido exposto. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas criam pequenas bolhas de vácuo no líquido, que colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno denomina-se cavitação. A implosão da bolha de cavitação provoca fortes forças hidrodinâmicas de cisalhamento, que causam primeiro a sonoporação e, subsequentemente, a rutura eficiente das estruturas celulares. As moléculas intracelulares e os organelos são completamente libertados para o solvente.

Desintegração ultrassónica de estruturas celulares

As forças de cisalhamento podem desintegrar material fibroso e celulósico em partículas finas e romper as paredes da estrutura celular. Isto liberta uma maior quantidade de material intracelular, como amido ou açúcar, para o líquido. Além disso, o material da parede celular é fragmentado em pequenos detritos.

Este efeito pode ser utilizado na fermentação, na digestão e noutros processos de conversão de matéria orgânica. Após a moagem e a trituração, a ultrassonicação disponibiliza às enzimas que convertem o amido em açúcares uma maior quantidade de material intracelular, por exemplo, amido, bem como de detritos da parede celular. Também aumenta a área de superfície exposta às enzimas durante a liquefação ou a sacarificação. Isto aumenta normalmente a velocidade e o rendimento da fermentação por leveduras e de outros processos de conversão, por exemplo, para aumentar a produção de etanol a partir de biomassa.

Utilize a desintegração ultrassónica – de forma fiável e eficiente a qualquer escala

Os sonicadores Hielscher estão disponíveis com diferentes potências nominais e capacidades de processamento. Quer pretenda sonicar pequenas amostras biológicas, de alguns microlitros a alguns litros, quer necessite de processar grandes fluxos de células ou biomassa para produção, a Hielscher Ultrasonics oferece-lhe o desintegrador ultrassónico mais adequado à sua aplicação biológica.

• escala laboratorial para 1mL a aprox. 5L, por exemplo, UP400St com sonotrodo de 22mm
• escala de bancada a aprox. 0,1 a 20L/min, por exemplo, UIP1000hdT com sonotrodo de 34mm e célula de fluxo
• escala de produção a partir de 20L/min, por exemplo, UIP4000hdT ou UIP16000hdT

A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultrassonicadores de dimensão laboratorial:

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A tabela abaixo apresenta uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultrassonicadores industriais:

Bibliografia / Referências

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