Produção biossintética de oligossacarídeos do leite humano

A biossíntese de oligossacarídeos do leite humano (HMOs) por meio de fermentação ou reações enzimáticas é um processo complexo, consumidor e muitas vezes de baixo rendimento. A ultrassonografia aumenta a transferência de massa entre o substrato e as fábricas celulares e estimula o crescimento e o metabolismo celular. Assim, a sonicação intensifica a fermentação e os processos bioquímicos, resultando em uma produção acelerada e mais eficiente de HMOs.

oligossacarídeos do leite humano

Os oligossacarídeos do leite humano (HMOs), também conhecidos como glicanos do leite humano, são moléculas de açúcar que fazem parte do grupo dos oligossacarídeos. Exemplos proeminentes de HMOs incluem 2'-fucosillactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galactosillactose (3′-GL) e difucosil-lactose (DFL).
Embora o leite materno humano seja composto por mais de 150 estruturas HMO diferentes, apenas a 2′-fucosil-lactose (2′-FL) e a lacto-N-neotetraose (LNnT) são atualmente produzidas em nível comercial e usadas como aditivos nutricionais em fórmulas infantis.
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 atuam como prebióticos, antimicrobianos antiadesivos e imunomoduladores no intestino do bebê e contribuem substancialmente para o desenvolvimento do cérebro. Os HMOs são encontrados exclusivamente no leite materno humano; Outros leites de mamíferos (por exemplo, vaca, cabra, ovelha, camelo, etc.) não têm essas formas específicas de oligossacarídeos.
Os oligossacarídeos do leite humano são o terceiro componente sólido mais abundante no leite humano, que pode estar presente na forma dissolvida ou emulsionada ou suspensa na água. A lactose e os ácidos graxos são os sólidos mais abundantes encontrados no leite humano. Os HMOs estão presentes em uma concentração de 0,35 a 0,88 onças (9,9 a 24,9 g) / L. Aproximadamente 200 oligossacarídeos do leite humano estruturalmente diferentes são conhecidos. O oligossacarídeo dominante em 80% de todas as mulheres é 2′-fucosillactose, que está presente no leite materno humano numa concentração de aproximadamente 2,5 g/L.
Como os HMOs não são digeridos, eles não contribuem calóricos para a nutrição. Por serem carboidratos indigestos, funcionam como prebióticos e são fermentados seletivamente pela desejável microflora intestinal, especialmente as bifidobactérias.

Biossíntese de oligossacarídeos do leite humano

Fábricas de células e sistemas enzimáticos/quimioenzimáticos são tecnologias atuais utilizadas para a síntese de HMOs. Para a produção de HMO em escala industrial, a fermentação de fábricas de células microbianas, síntese bioquímica e diferentes reações enzimáticas são formas viáveis de bioprodução de HMO. Por razões econômicas, a biossíntese via fábricas de células microbianas é atualmente a única técnica utilizada em 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 usadas para a bioprodução de moléculas biológicas, como HMOs. A 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 convertem em HMOs. Como os açúcares simples (por exemplo, lactose) são um substrato abundante e barato, isso mantém o processo de biossíntese econômico.
O crescimento e a taxa de bioconversão são influenciados principalmente pela transferência de 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 ultrassonografia é bem conhecida por promover a transferência de massa.
Durante a fermentação, as condições no biorreator devem ser constantemente monitoradas e reguladas para que as células possam crescer o mais rápido possível, a fim de produzir as biomoléculas alvo (por exemplo, oligossacarídeos como HMOs; insulina; proteínas recombinantes). Teoricamente, a formação do produto começa assim que a cultura de células começa a crescer. No entanto, especialmente em células geneticamente modificadas, como microrganismos modificados, geralmente é induzido posteriormente pela adição de uma substância química ao substrato, que regula positivamente a expressão da biomolécula alvo. Os biorreatores ultrassônicos (sono-biorreator) podem ser controlados com precisão e permitem a estimulação específica de micróbios. Isso resulta em uma biossíntese acelerada e maiores rendimentos.
Lise e extração ultrassônica: A fermentação de HMOs complexos pode ser limitada por títulos de baixa fermentação e produtos que permanecem intracelulares. A lise e extração ultrassônica são usadas para liberar material intracelular antes dos processos de purificação e downstream.

Fermentação Promovida Ultrassônica

A taxa de crescimento de micróbios como Escherichia coli, E.coli modificada, Saccharomyces cerevisiae e Lactococcus lactis pode ser acelerada aumentando a taxa de transferência de massa e a permeabilidade da parede celular aplicando ultrassom controlado de baixa frequência. Como uma técnica de processamento suave e não térmica, a ultrassonografia aplica forças puramente mecânicas ao caldo de fermentação.
Cavitação Acústica: O princípio de funcionamento da sonicação é baseado na cavitação acústica. A sonda ultrassônica (sonotrodo) acopla 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 pequenas bolhas de vácuo. Essas pequenas bolhas de vácuo crescem ao longo de vários ciclos até atingirem um tamanho em que não podem absorver mais energia. Nesse ponto de crescimento máximo, a bolha de vácuo implode violentamente e gera condições localmente extremas, conhecidas como fenômeno da cavitação. No "hot-spot" cavitacional, podem ser observados diferenciais de alta pressão e temperatura e forças de cisalhamento intensas com jatos de líquido de até 280m/seg. Por esses efeitos cavitacionais, é alcançada uma transferência de massa completa e sonoporação (a perfuração das paredes celulares e membranas celulares). Os nutrientes do substrato são flutuados para e para dentro das células inteiras vivas, de modo que as fábricas de células sejam nutridas de maneira ideal e o crescimento, bem como as taxas de conversão, sejam acelerados. Os biorreatores ultrassônicos são uma estratégia simples, mas altamente eficaz, para processar biomassa em um processo de biossíntese de um pote.
Uma sonicação suave e controlada com precisão é bem conhecida por intensificar os processos de fermentação.
A sonicação melhora "a produtividade de muitos bioprocessos envolvendo células vivas por meio do aumento da absorção de substrato, aumento da produção ou crescimento ao aumentar 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 várias vantagens durante o bioprocessamento, incluindo baixos custos operacionais em comparação com outras opções de tratamento aprimoradas, simplicidade de operação e requisitos de energia modestos.

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 sonicação seja aplicada para promover a transferência de massa e aumentar a taxa de crescimento e conversão de microrganismos, é crucial controlar a intensidade ultrassônica com precisão para evitar a destruição das fábricas de células.
A Hielscher Ultrasonics é especialista em projetar, fabricar e distribuir ultrassônicos de alto desempenho, que podem ser controlados e monitorados com precisão para garantir rendimentos de fermentação superiores.

O controle do processo 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 da célula dos parâmetros de sonicação é essencial para obter altos rendimentos e evitar a degradação celular. Portanto, todos os modelos digitais de ultrassônicos Hielscher são equipados com software inteligente, que permite ajustar, monitorar e revisar os parâmetros de sonicação. Parâmetros de processo ultrassônicos, como amplitude, temperatura, pressão, duração da sonicação, ciclos de trabalho e entrada de energia, são essenciais para promover a produção de HMO por meio da fermentação.
O software inteligente dos ultrassônicos Hielscher registra automaticamente todos os parâmetros importantes do processo no cartão SD integrado. O registro automático de dados do processo de sonicação é a base para a padronização do processo e reprodutibilidade/repetibilidade, que são necessárias para as Boas Práticas de Fabricação (BPF).

Rectores Ultrassónicos para Fermentação

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

Hielscher Ultrasonics – Do laboratório ao piloto e à produção

A Hielscher Ultrasonics cobre todo o espectro de equipamentos ultrassônicos, oferecendo homogeneizadores ultrassônicos portáteis compactos 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 nas opções de instalação e montagem, os ultrasonicadores Hielscher podem ser facilmente integrados em todos os tipos de reatores de batelada, lotes alimentados ou configurações de fluxo contínuo.
Vários acessórios, bem como peças personalizadas, permitem a adaptação ideal de sua configuração ultrassônica aos requisitos do seu processo.
Construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e serviço pesado em condições exigentes, os processadores ultrassônicos Hielscher são confiáveis e requerem apenas baixa manutenção.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: