Produção biossintética de oligossacarídeos de leite humano

A biosíntese de oligossacarídeos de leite humano (HMOs) via fermentação ou reações enzimáticas é um processo complexo, consumista e muitas vezes de baixo rendimento. A ultrassônica aumenta a transferência de massa entre fábricas de substrato e células que estimula o crescimento celular e o metabolismo. Assim, a sônica intensifica os processos de fermentação e bioquím químico, resultando em uma produção acelerada e mais eficiente de HMOs.

Oligossacarídeos de leite humano

Os oligossacarídeos do leite humano (HMOs), também conhecidos como glicanos do leite humano, são moléculas de açúcar, que fazem parte do grupo de oligossacarídeos. Exemplos proeminentes de HMOs incluem 2'-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galactosyllactose (3′-GL), e difucosyllactose (DFL).
Enquanto o leite materno humano écomposto de mais do que diferentes 150 estruturas de HMO, apenas 2'-fucosyllactose (2′-FL) e lacto-N-neotetraose (LNnT) são atualmente produzidos em nível comercial e usados como aditivos nutricionais na fórmula infantil.
Os oligossacarídeos do leite humano (HMOs) são conhecidos por sua importância na nutrição do bebê. Os oligossacarídeos do leite humano são um tipo único de nutrientes, que agem como prebióticos, antimicrobianos antiadesivos e imunomoduladores dentro do intestino da criança e contribuem substancialmente para o desenvolvimento cerebral. Os HMOs são encontrados exclusivamente no leite materno humano; outros leites mamíferos ( por exemplo, vaca, cabra, ovelha, camelo etc.) não têm essa forma específica de oligossacarídeos.
Os oligossacarídeos do leite humano são o terceiro componente sólido mais abundante no leite humano, que pode estar presente tanto na forma dissolvida ou emulsionada ou suspensa na água. Lactose e ácidos graxos são os sólidos mais abundantes encontrados no leite humano. Os HMOs estão presentes em uma concentração de 0,35-0,88 onças (9,9-24,9 g)/ L. Aproximadamente 200 oligossacarídeos de leite humano estruturalmente diferentes são conhecidos. O oligosacarídeo dominante em 80% de todas as mulheres é 2′-fucosyllactose, que está presente no leite materno humano a uma concentração de aproximadamente 2,5 g/ L.
Como os HMOs não são digeridos, eles não contribuem calóricamente para a nutrição. Sendo carboidratos indigestos, eles funcionam como prebióticos e são seletivamente fermentados por desejáveis microflora intestinal, especialmente bifidobactérias.

Biosíntese de Oligossacarídeos do Leite Humano

Fábricas de células e sistemas enzimáticos / quimio-enzimáticos são tecnologias atuais usadas para a síntese de HMOs. Para a produção de HMO em escala industrial, a fermentação de fábricas de células microbianas, síntese bioquím química e diferentes reações enzimáticas são formas viáveis de bioprodução de HMO. Por razões econômicas, a biosíntese via fábricas de células microbianas é atualmente a única técnica utilizada no nível de produção industrial de HMOs.

Fermentação de HMOs usando fábricas de células microbianas

E.coli, Saccharomyces cerevisiae e Lactococcus lactis são fábricas de células comumente utilizadas para a bioprodução de moléculas biológicas como hmos. Fermentação é um processo bioquímico que usa microrganismos para converter um substrato em moléculas biológicas direcionadas. As fábricas de células microbianas usam açúcares simples como substrato, que eles convertem em HMOs. Uma vez que os açúcares simples (por exemplo, lactose) são um substrato abundante e barato, isso mantém o processo de biosíntese econômico.
A taxa de crescimento e bioconversão são influenciadas principalmente pela transferência em massa de nutrientes (substrato) para os microrganismos. A taxa de transferência de massa é um fator principal que afeta a síntese do produto durante a fermentação. A ultrassônica é bem conhecida por promover a transferência em massa.
Durante a fermentação, as condições no bioreator devem ser constantemente monitoradas e reguladas para que as células possam crescer o mais rápido possível, a fim de então produzir as biomoléculas direcionadas (por exemplo, oligossacarídeos como HMOs; insulina; proteínas recombinantes). Teoricamente, a formação do produto começa assim que a cultura celular começa a crescer. No entanto, especialmente em células geneticamente modificadas, como microrganismos projetados, geralmente é induzida mais tarde adicionando uma substância química ao substrato, o que regula a expressão da biomolécula direcionada. Os bioreatores ultrassônicos (sono-bioreator) podem ser precisamente controlados e permitem a estimulação específica de micróbios. Isso resulta em uma biossíntese acelerada e rendimentos mais altos.
Lise ultrassônica e extração: A fermentação de HMOs complexos pode ser limitada por títulos de baixa fermentação e produtos que permanecem intracelulares. A lise ultrassônica e a extração são usadas para liberar material intracelular antes da purificação e dos processos de descida.

Fermentação Ultrasonicamente Promovida

A taxa de crescimento de micróbios como Escherichia coli, E.coli, Saccharomyces cerevisiae e Lactococcus lactis pode ser acelerada aumentando a taxa de transferência de massa e a permeabilidade da parede celular, aplicando ultrassônicas controladas de baixa frequência. Como uma técnica leve de processamento não térmico, a ultrassônica aplica forças puramente mecânicas no caldo de fermentação.
Cavitação Acústica: O princípio de trabalho da sônica é baseado na cavitação acústica. A sonda ultrassônica (sonotrode) acotoda ondas de ultrassom de baixa frequência no meio. As ondas de ultrassom viajam através do líquido criando ciclos alternados de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação). Ao comprimir e esticar o líquido em ciclos alternados, surgem bolhas de vácuo minúsculas. Essas pequenas bolhas de vácuo crescem ao longo de vários ciclos até atingirem um tamanho onde não podem absorver mais energia. Neste ponto de crescimento máximo, a bolha de vácuo implode violentamente e gera condições localmente extremas, conhecidas como o fenômeno da cavitação. No "hot-spot" cavitacional, podem ser observados diferenciais de alta pressão e temperatura e forças intensas de tesoura com jatos líquidos de até 280m/s. Por esses efeitos cavitacionais, a transferência de massa completa e a sonoporação (a perfuração de paredes celulares e membranas celulares) são alcançadas. Os nutrientes do substrato são flutuados para e para as células inteiras vivas, de modo que as fábricas de células são ótimamente nutridas e as taxas de crescimento, bem como as taxas de conversão são aceleradas. Bioreatores ultrassônicos são uma estratégia simples, mas altamente eficaz para processar a biomassa em um processo de biossíntese de um pote.
Uma sônica leve e controlada é bem conhecida por intensificar os processos de fermentação.
A sonicação melhora "a produtividade de muitos bioprocessos envolvendo células vivas através do aprimoramento da absorção de substratos, maior produção ou crescimento, aumentando a porosidade celular e liberação potencialmente aprimorada de componentes celulares". (Naveena et al. 2015)
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Naveena et al. (2015) descobriram que a intensificação ultrassônica oferece diversas vantagens durante o bioprocessamento, incluindo baixos custos operacionais em comparação com outras opções de tratamento aprimorados, simplicidade de operação e requisitos modestos de energia.

Reatores de fermentação ultrassônica de alto desempenho

Os processos de fermentação envolvem microrganismos vivos, como bactérias ou leveduras, que funcionam como fábricas de células. Embora a sônica seja aplicada para promover a transferência de massa e aumentar a taxa de crescimento e conversão de microrganismos, é crucial controlar a intensidade ultrassônica precisamente para evitar a destruição das fábricas celulares.
A Hielscher Ultrasonics é especialista em projetar, fabricar e distribuir ultrassononicadores de alto desempenho, que podem ser precisamente controlados e monitorados para garantir rendimentos de fermentação superiores.

O controle de processos não é apenas essencial para altos rendimentos e qualidade superior, mas permite repetir e reproduzir resultados. Especialmente quando se trata da estimulação de fábricas celulares, a adaptação específica das células dos parâmetros de sônica é essencial para alcançar altos rendimentos e prevenir a degradação celular. Portanto, todos os modelos digitais de ultrassonicadores Hielscher são equipados com software inteligente, o que permite ajustar, monitorar e revisar parâmetros de sônica. Parâmetros de processo ultrassônico, como amplitude, temperatura, pressão, duração da sônica, ciclos de trabalho e entrada de energia são essenciais para promover a produção de HMO via fermentação.
O software inteligente dos ultrassonicadores Hielscher registra automaticamente todos os parâmetros de processo importantes no cartão SD integrado. O registro automático de dados do processo de sônica são a base para padronização de processos e reprodutibilidade/repetibilidade, que são necessárias para boas práticas de fabricação (GMP).

Reitores ultrassônicos para fermentação

Hielscher oferece sondas ultrassônicas de vários tamanhos, comprimento e geometrias, que podem ser usadas para tratamentos de lote, bem como tratamentos contínuos de fluxo. Reatores ultrassônicos, também conhecidos como sono-bioreatores, estão disponíveis para qualquer volume que cubra o bioprocessamento ultrassônico de pequenas amostras de laboratório para o nível de produção piloto e totalmente comercial.
É sabido que a localização do sonotrode ultrassônico no vaso de reação influencia na distribuição da cavitação e do microtranssofilo dentro do meio. O sonotrode e o reator ultrassônico devem ser escolhidos de acordo com o volume de processamento do caldo celular. Enquanto a sônica pode ser realizada em lote, bem como no modo contínuo, para grandes volumes de produção recomenda-se o uso de uma instalação contínua de fluxo. Passando por uma célula de fluxo ultrassônico, todo o meio celular obtém exatamente a mesma exposição à sônica, garantindo o tratamento mais eficaz. Hielscher Ultrasonics ampla gama de sondas ultrassônicas e reatores de células de fluxo permite montar a configuração ideal de bioprocessamento ultrassônico.

Hielscher Ultrasonics – De Laboratório para Piloto para Produção

Hielscher Ultrasonics cobre todo o espectro de equipamentos ultrassônicos que oferecem homogeneizadores ultrassônicos compactos à mão para preparação de amostras para sistemas de bancada e piloto, bem como poderosas unidades ultrassônicas industriais que processam facilmente cargas de caminhões por hora. Sendo versáteis e flexíveis em opções de instalação e montagem, os ultrassonicadores Hielscher podem ser facilmente integrados em todos os tipos de reatores em lote, lotes alimentados ou configurações contínuas de fluxo.
Vários acessórios, bem como peças personalizadas permitem a adaptação ideal de sua configuração ultrassônica às suas necessidades de processo.
Construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e trabalho pesado em condições exigentes, os processadores ultrassônicos Hielscher são confiáveis e exigem apenas baixa manutenção.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: