Lise Ultrassônica de Células Bioengenharia em Produção Industrial

Espécies de bactérias bioengenharias como E. coli, bem como tipos de mamíferos geneticamente modificados e células vegetais são amplamente utilizadas em biotecnologia para expressar moléculas. Para liberar essas bio moléculas sintetizadas, é necessária uma técnica confiável de disrupção celular. A ultrassonização de alto desempenho é um método comprovado para a lise celular eficiente e confiável – facilmente escalável para grandes rendimentos. A Hielscher Ultrasonics oferece equipamentos ultrassônicos de alto desempenho para lise celular eficaz, a fim de produzir grandes volumes de biomotelocerias de alta qualidade.

Extração de moléculas de fábricas celulares

Para a produção de uma ampla gama de biomoléculas, vários micróbios projetados e células vegetais podem ser usados como fábricas de células microbianas, incluindo Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana e algas, entre muitos outros. Essas fábricas de células podem produzir proteínas, lipídios, bioquímicos, polímeros, biocombustíveis e oleoquímicos, que são usados como alimentos ou matéria-prima para aplicações industriais. As células utilizadas como fábricas de células são cultivadas em bioreatores fechados, onde podem alcançar altas eficiências, especificidades e baixos requisitos energéticos.
Para isolar as moléculas-alvo das culturas celulares bioengenharia, as células devem ser interrompidas para que o material intracelular seja liberado. Os disruptores de células ultrassônicas são bem estabelecidos como uma técnica altamente confiável e eficiente para desintegração celular e liberação de compostos.

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A desintegração celular ultrassônica é usada para isolar compostos de fábricas de células bacterianas.

Desintegradores de células ultrassônicas, como o UIP2000hdT são usados para isolar compostos de fábricas de células microbianas.

As fábricas de células microbianas são células metabolicamente modificadas usadas para a síntese de vários compostos, como substâncias bioativas, ingredientes pharmceutais ativos (APIs), biocombustíveis, polímeros e proteínas. Desintegradores de células ultrassônicas são confiáveis, rápidos e eficientes, quando se trata do isolamento desses compostos valiosos do interior da célula.

As fábricas de células microbianas são células metabolicamente projetadas usadas para a síntese de vários compostos valiosos. A interrupção das células ultrassônicas é um método eficiente e confiável para liberar os compostos valiosos do interior da célula.
estudo e gráfico: ©Villaverde, 2010.

Vantagens dos Disruptores celulares ultrassônicos

Como uma tecnologia não térmica, leve, mas altamente eficiente, os disruptores ultrassônicos são usados em laboratório e na indústria para lise de células e para produzir extratos de alta qualidade, por exemplo, usados para o isolamento de moléculas de fábricas de células.

Por que ultrassonicadores para interrupção celular?

  • Alta eficiência
  • Não térmica, ideal para substâncias sensíveis à temperatura
  • Resultados confiáveis e repetíveis
  • Controle preciso de processamento
  • Escalável linear para rendimentos maiores
  • Disponível para capacidades de produção industrial

Ultrassom de energia para interrupção eficiente de fábricas de células microbianas

Mecanismo e Efeitos dos Disruptores celulares ultrassônicos:
A interrupção das células ultrassônicas é usada em escala de bancada e industrial para interromper células microbianas metabolicamente projetadas, as chamadas fábricas de células, para liberar compostos valiosos.A interrupção das células ultrassônicas usou o poder das ondas de ultrassom. O homogeneizador/disruptor ultrassônico é equipado com uma sonda (também conhecida como sonotrode) feita de liga de titânio que oscila a uma alta frequência de aproximadamente 20 kHz. Isso significa que a sonda ultrassônica soma 20.000 vibrações por segundo no líquido sônico. As ondas de ultrassom acopladas ao líquido são caracterizadas por ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Durante um ciclo de baixa pressão, o líquido se expande e surgem bolhas de vácuo minúsculas. Essas bolhas muito pequenas crescem ao longo de vários ciclos de pressão alternadas até que não possam absorver mais energia. Neste ponto, as bolhas de cavitação implodem violentamente e criam localmente um ambiente extraordinário denso energético. Este fenômeno é conhecido como cavitação acústica e é caracterizado por temperaturas localmente muito altas, pressões muito altas e forças de corte. Estes estresses de tesoura quebram eficientemente paredes celulares e aumentam a transferência de massa entre o interior da célula e o solvente circundante. Como técnica puramente mecânica, as forças de tesoura geradas ultrasonicamente são amplamente utilizadas e o procedimento recomendado para interrupção celular bacteriana, bem como para o isolamento de proteínas. Como um método simples e rápido de interrupção celular, a sônica é ideal para o isolamento de volumes pequenos, médios e grandes. Os ultrassonicadores digitais da Hielscher são equipados com um menu claro de configurações para controle preciso de sonicação. Todos os dados de sônica são armazenados automaticamente em um cartão SD embutido e são simplesmente acessíveis. Opções sofisticadas de dissipação de calor, como resfriamento externo, sônica no modo puls etc. durante o processo de desintegração ultrassônica garantem a manutenção da temperatura ideal do processo e, assim, a intactidade de compostos sensíveis ao calor extraídos.

Pesquisa destaca os pontos fortes da interrupção e extração celular ultrassônica

O Prof. Chemat et al. (2017) retoma em seu estudo que "a extração assistida por ultrassom é uma alternativa verde e economicamente viável às técnicas convencionais para alimentos e produtos naturais. Os principais benefícios são a diminuição do tempo de extração e processamento, a quantidade de energia e solventes utilizados, operações unitárias e CO2 emissões.
Gabig-Ciminska et al. (2014) utilizaram um homogeneizador de alta pressão e um dsintegrator de células ultrassônicas em seu estudo para a lise dos esporos a fim de liberar o DNA. Comparando ambos os métodos de interrupção celular, a equipe de pesquisa conclui que em relação à lise celular para DNA esporo, "a análise tem sido feita utilizando lises celulares a partir da homogeneização de alta pressão. Depois, percebemos que uma ruptura celular ultrassônica tem excelentes vantagens para este fim. É bastante rápido e pode ser processado para pequenos volumes de amostra." (Gabig-Ciminska et al., 2014)

O poderoso processador ultrassônico UIP4000hdT de 4000 watts é usado para interromper células bioengenharia (ou seja, fábricas de células) a fim de liberar moléculas-alvo.

Desintegrador de células ultrassônicas industriais UIP4000hdT (4000W, 20kHz) para isolamento contínuo inline e purificação de compostos sintetizados de fábricas de células microbianas.

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Biomoléculas de Fábricas de Células para Produção de Alimentos

As fábricas de células microbianas são uma metodologia de produção viável e eficiente usando organismos microbianos para produzir altos rendimentos de metabólitos nativos e não nativos por bioengenharia metabólica de microrganismos microbianos como bactérias, leveduras, fungos etc. Enzimas a granel são, por exemplo, produzidas usando microrganismos como aspergillus oryzae, fungos e bactérias. Essas enzimas a granel são utilizadas para a produção de alimentos e bebidas, bem como para a agricultura, bioenergia e cuidados domésticos.
Certas bactérias como Acetobacter xylinum e Gluconacetobacter xylinus produzem celulose durante o processo de fermentação, onde nanofibras são sintetizadas em um processo de baixo para cima. A celulose bacteriana (também conhecida como celulose microbiana) é quimicamente equivalente à celulose vegetal, mas tem alto grau de cristalidade e alta pureza (livre de lignina, hemicellulose, pectina e outros componentes biogênicos), bem como uma estrutura única de rede tridimensional (3D) reticulada de nanofibra de celulose (3D). (cf. Zhong, 2020) Em comparação com a celulose derivada da planta, a celulose bacteriana é mais sustentável e a celulose produzida é pura não requer passos complexos de purificação. A ultrassônica e a extração de solventes usando NaOH ou SDS (sulfato de dodecim de sódio) são muito eficazes para o isolamento da celulose bacteriana das células bacterianas.

Biomoléculas de Fábricas de Células para Produção Farmacêutica e de Vacinas

Um dos produtos farmacêuticos mais proeminentes derivados de fábricas de células é a insulina humana. Para a produção de insulina bioengenharia, são utilizadas predominantemente E. coli e Saccharomyces cerevisiae. Uma vez que moléculas nano-dimensionadas bio-sintetizadas oferecem uma alta biocompatibilidade, nanopartículas biológicas como a ferritina são vantajosas para inúmeras aplicações biomanufadoras. Além disso, a produção em micróbios metabolicamente modificados é muitas vezes significativamente mais eficaz nos rendimentos obtidos. Por exemplo, a produção de ácido artemisinico, resveratrol e licopeno aumentou dez vezes para várias centenas, e já está estabelecida ou está em desenvolvimento para a produção em escala industrial. (cf. Liu et al.; Microb. Fato celular. 2017)
Por exemplo, biomoléculas nano-tamanhos à base de proteínas com propriedades auto-montadas, como ferritina e partículas semelhantes a vírus, são especialmente interessantes para o desenvolvimento de vacinas, pois imitam o tamanho e a estrutura dos patógenos e são receptivas à conjugação superficial de antígenos para promover a interação com células imunes. Tais moléculas são expressas nas chamadas fábricas de células (por exemplo, cepas de E. coli projetadas), que produzem uma determinada molécula-alvo.

Protocolo para Lise Ultrassônica e de E. coli BL21 para Lançamento de Ferritin

Ferritin é uma proteína, que a função primária é o armazenamento de ferro. A ferritina mostra capacidades promissoras como nanopartículas auto-montadas em vacinas, onde é usada como veículo de entrega de vacinas (por exemplo, proteínas de pico SARS-Cov-2). A pesquisa científica de Sun et. al. (2016) mostra que a ferritina recombinante pode ser liberada como uma forma solúvel de Escherichia coli em baixas concentrações de NaCl (≤50 mmol/L). A fim de expressar ferritina em E. coli BL21 e liberar a ferrtina, o seguinte protocolo foi aplicado com sucesso. O pET-28a/furitin plasmid recombinante foi transformado na cepa E coli BL21 (DE3). As células ferritina E coli BL21 (DE3) foram cultivadas na mídia de crescimento LB com kanamycina de 0,5% a 37°C e induzidas a um OD600 de 0,6 com isopropílico-β-D-thiogalactopyranoside por 3 horas a 37°C. A cultura final foi então colhida por centrifugação a 8000g por 10 minutos a 4°C, e a pelota foi coletada. Em seguida, a pelota foi resuspended em meio LB (1% NaCl, 1% Typone, 0,5% extrato de levedura)/tampão de lise (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7.6) e diferentes concentrações de solução NaCl (0, 50, 100, 170 e 300 mmol/L), respectivamente. Para a lise celular bacteriana, a sônica foi aplicada no modo de pulso: por exemplo, usando o ultrassônico UP400St a 100% de amplitude com um ciclo de dever de 5 segundos ON, 10 segundos OFF, para 40 ciclos) e depois centrifued a 10 000g por 15 minutos a 4°C. O supernascer e o precipitado foram analisados pela eletroforese de gel de poliacrilamida de sulfato de sódio (SDS-PAGE). Todos os géis manchados de sulfato de sódio foram escaneados com scanner de alta resolução. As imagens em gel foram analisadas usando o software Magic Chemi 1D. Para maior clareza, as bandas proteicas foram detectadas ajustando parâmetros. Os dados das bandas foram gerados a partir de triplicados técnicos. (cf. Sun et al., 2016)

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Disruptores de células ultrassônicas para lise industrial de fábricas de células

A lise ultrassônica e a extração é um método confiável e confortável para liberar metabólitos de fábricas celulares, auxiliando assim uma produção eficaz de moléculas-alvo. Os disruptores de células ultrassônicas estão disponíveis do laboratório ao tamanho industrial e os processos podem ser dimensionados completamente lineares.
A Hielscher Ultrasonics é sua parceira competente para disruptores ultrassônicos de alto desempenho e tem experiência de longa data no campo de implantação de sistemas ultrassônicos em configurações industriais e de bancada.
Os ultrassonicadores hielscher podem ser controlados remotamente através do controle do navegador. Os parâmetros de sonicação podem ser monitorados e ajustados precisamente aos requisitos do processo.Quando se trata de hardware e software sofisticados, os sistemas de interrupção de células Hielscher Ultrasonics cumprem todos os requisitos para o controle de processos ideal, fácil operação e simpatia do usuário. Clientes e usuários de ultrassonicadores Hielscher valorizam o benefício que os disruptores e extratores de células ultrassônicas hielscher permitem o monitoramento e controle preciso do processo – via display de toque digital e controle remoto do navegador. Todos os dados importantes de sônicação (por exemplo, energia líquida, energia total, amplitude, duração, temperatura, pressão) são armazenados automaticamente como arquivo CSV em um cartão SD integrado. Isso ajuda a obter resultados reprodutíveis e repetitivos e facilita a padronização do processo, bem como o cumprimento de boas práticas de fabricação (cGMP).
É claro que os processadores ultrassônicos Hielscher são construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, com carga total e, portanto, podem ser operados de forma confiável em ambientes de produção industrial. Devido à alta robustez e baixa manutenção, o tempo de inatividade dos equipamentos ultrassônicos é muito baixo. Características de CIP (clean-in-place) e SIP (esterilizador no local) minimizam a limpeza laboriosa, especialmente porque todas as peças molhadas são superfícies metálicas lisas (sem orifícios ou bocais ocultos).

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Por favor, use o formulário abaixo para solicitar informações adicionais sobre processadores ultrassônicos, aplicativos e preço. Ficaremos felizes em discutir seu processo com você e oferecer-lhe um sistema ultrassônico atendendo aos seus requisitos!









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Homogeneizadores ultrassônicos de alta cisalhamento são usados em laboratório, bancada, piloto e processamento industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.



Literatura / Referências

Fatos, vale a pena conhecer

Sono-Bioreatores

O ultrassom é usado por um lado para interromper as células a fim de liberar compostos intracelulares, mas aplicado com amplitudes mais brandas e/ou como explosões de ultrassom pulsante, a sonicação pode aumentar muito a produtividade metabólica das células microbianas, vegetais e animais em bioreatores, aumentando assim os processos de biotecnologia. As sondas ultrassônicas podem ser simplesmente integradas em bioreatores (os chamados sono-bioreatores) a fim de intensificar a eficiência dos biocatalístes vivos. Os ultrassonicadores hielscher permitem condições de ultrassom precisamente controladas, que podem ser otimizadas para uma alta conversão catalítica de células vivas. Saiba mais sobre sondas ultrassônicas hielscher para ultrassom e os efeitos da biocatálise ultrasonicamente aprimorada!

Fábricas de Células e a Síntese de Metabólitos

Diferentes microrganismos podem sintetizar metabólitos semelhantes, por exemplo, para a produção de aminoácidos Corynebacterium, Brevibacterium e Escherichia coli têm sido usados com sucesso; vitaminas hae foram sintetizadas usando Propionibacterium e Pseudomonas; os ácidos orgânicos são derivados de Aspergillus, Lactobacillus, Rizopus; enquanto enzimas podem ser feitas por Aspergillus e Bacillus; antibióticos podem ser produzidos por Estreptomia e Penicillium; enquanto para a produção de biosurfactantes comumente formados Pseudomonas, Bacillus e Lactobacillus são usados como fábricas de células.

E. Coli como Fábricas de Células Microbianas

As bactérias E. coli e suas numerosas cepas são amplamente utilizadas biologia molecular ans tornou-se como um dos primeiros modelos celulares eficientes usados fábricas de células asmicrobianas para a produção de proteínas recombinantes, biocombustíveis e vários outros produtos químicos. E. coli apresenta uma capacidade natural de produzir vários compostos, o que foi melhorado por bioengenharia e modificações genéticas. Por exemplo, ao transferir enzimas heterólogas, a capacidade do E.coli de produzir inúmeros produtos foi modificada para desenvolver novas vias biossintéticas.
(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.)

Estreptomicas como Fábricas de Células Microbianas

Streptomyces é o maior grupo de actinomycetes; As espécies de estreptomia são difundidas em ecossistemas aquáticos e terrestres. Membros do gênero Streptomyces são de interesse comercial devido à sua capacidade de produzir um enorme número de biomoléculas e metabólitos secundários bioativos. Produz antibióticos clinicamente úteis, como tetraciclinas, aminoglicosídeos, macrolides, clorofenicol e rifamycinas. Além dos antibióticos, os estreptomoses também produzem outros produtos farmacêuticos altamente valiosos, incluindo anticâncer, imunostimulatório, imunossupressor, agentes antioxidativos, inseticidas e antiparasiticos, que possuem amplas aplicações médicas e agrícolas.
As espécies de estreptomia produzem uma gama de enzimas que são medicamente importantes, incluindo L-asparaginase, uricase e colesterol oxidase. Muitos actinomycetes podem produzir enzimas industrialmente importantes como celulas, quitinases, chitosanases, α-amilase, proteases e lipases. Muitos actinomicocetes podem produzir diferentes pigmentos que são potencialmente boas alternativas de cores sintéticas. As espécies de estreptomoses têm grande capacidade de produzir biomoléculas superficiais ativas, incluindo bioemulsificantes e biosurfactantes. A acarbose antidiabética foi produzida por cepas de Estreptomíceos via fermentação microbiana. Espécies de Estreptomia mostraram a capacidade de sintetizar inibidores de síntese de colesterol, como pravastatina. Recentemente, as espécies de estreptomíces podem ser usadas como "nanofagias" ecologicamente corretas para a síntese de nanopartículas. Algumas espécies de Estreptomia são promissoras para a produção de vitamina 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.)


Ultrassônicos de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro desde o ultrassônico de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos industriais completos.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.