Desintegração ultra-sónica de células

A ultrassonografia é um meio eficaz de desintegração das estruturas celulares. Por conseguinte, os sonicadores são amplamente utilizados em laboratórios para abrir células, extrair moléculas intracelulares, proteínas e organelos para investigação e análise. À escala industrial, a desintegração e a lise ultra-sónicas são utilizadas para isolar moléculas das fábricas de células ou para promover a digestão da biomassa.

O que é a desintegração por ultra-sons?

A desintegração por ultra-sons, também conhecida como homogeneização por ultra-sons, é um processo que utiliza ondas de ultra-sons de alta intensidade e baixa frequência para quebrar as paredes celulares e perturbar as estruturas moleculares num meio líquido. Esta técnica é normalmente utilizada em várias aplicações científicas e industriais para diversos fins:

Perturbação celular: A desintegração ultra-sónica é amplamente utilizada em biologia celular e biologia molecular para romper as membranas celulares, libertando conteúdos celulares como proteínas, ácidos nucleicos e organelos. Isto é útil para a extração de componentes intracelulares para análise ou para a lise de células em processos de microbiologia e biotecnologia.

• Homogeneização: Ajuda na mistura uniforme de componentes numa amostra, especialmente quando se trata de líquidos imiscíveis ou quando se tenta 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 da célula e isoladas. Os sonicadores são o método mais utilizado para a extração de proteínas.
• Fragmentação do ADN: O ADN e o ARN são tipos distintos de ácidos nucleicos que armazenam e codificam a informação genética nas células. Quando o ADN e o ARN são analisados, as longas cadeias têm por vezes de ser fragmentadas, um processo que pode ser feito de forma fiável e eficiente por sonicação.
• Preparação da amostra: Na investigação e análise, a preparação de amostras é um procedimento comum antes de várias técnicas analíticas. A desintegração por ultra-sons pode ajudar a dissolver ou dispersar as amostras, o que pode melhorar a precisão e a reprodutibilidade das análises.

Vantagens da desintegração por ultra-sons

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

• Não térmico: A desintegração por ultra-sons é um método não térmico, o que significa que não depende do calor para decompor os materiais. Isto é vantajoso para aplicações em que as temperaturas elevadas poderiam degradar amostras sensíveis ao calor.
• Preciso e controlado: O processo pode ser controlado com elevada precisão, permitindo uma perturbação específica, mistura ou redução do tamanho das partículas.
• Rápido e eficiente: A ultrassonografia é geralmente um método rápido e eficiente, o que a torna adequada para aplicações de elevado rendimento.
• Redução da utilização de produtos químicos: Em muitos casos, a desintegração por ultra-sons pode reduzir a necessidade de produtos químicos agressivos ou solventes orgânicos, o que pode ser amigo do ambiente e reduzir o risco de contaminação química.
• Sem meios de moagem, sem bicos: As técnicas de desintegração alternativas, como a moagem com bolas/esferas ou os homogeneizadores de alta pressão, têm desvantagens. A moagem com esferas/esferas requer a utilização de meios de moagem (esferas ou pérolas), que devem ser laboriosamente separados e limpos. Os homogeneizadores de alta pressão têm bicos que são propensos a entupir. Em contrapartida, os homogeneizadores ultra-sónicos são fáceis de utilizar, altamente 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 ultra-sónica pode ser ampliada para processos industriais, o que a torna adequada tanto para aplicações laboratoriais como para aplicações de produção em grande escala.

O princípio de funcionamento da desintegração ultra-sónica e da rutura celular

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

Desintegração ultra-sónica de estruturas celulares

As forças de cisalhamento podem desintegrar o material fibroso e celulósico em partículas finas e quebrar as paredes da estrutura celular. Isto liberta mais material intracelular, como o amido ou o açúcar, para o líquido. Além disso, o material da parede celular está a ser quebrado em pequenos detritos.

Este efeito pode ser usado para fermentação, digestão e outros processos de conversão de matéria orgânica. Depois de moagem e trituração, ultrassom faz mais do material intra-celular, por exemplo, amido, bem como os restos de parede celular disponíveis para as enzimas que convertem o amido em açúcares. Também aumenta a área de superfície exposta às enzimas durante a liquefação ou sacarificação. Isto normalmente aumenta a velocidade e o rendimento da fermentação da levedura e outros processos de conversão, por exemplo, para aumentar a produção de etanol a partir da biomassa.

Utilizar a desintegração por ultra-sons – De forma fiável e eficiente em qualquer escala

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

• escala de laboratório para 1mL a aprox. 5L, por exemplo UP400St com sonotrodo de 22 mm
• balança de bancada com aprox. 0,1 a 20L/min, por exemplo UIP1000hdT com sonotrodo de 34 mm e célula de fluxo
• escala de produção a partir de 20L/min, por exemplo UIP4000hdt OU UIP16000hdT

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultrassons de laboratório:

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O quadro abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons industriais:

Literatura / Referências