Dezintegrarea celulelor cu ultrasunete

Ultrasonicarea este un mijloc eficient de dezintegrare a structurilor celulare. Prin urmare, sonicatoarele sunt utilizate pe scară largă în laboratoare pentru a deschide celulele și a extrage molecule intracelulare, proteine și organite în scopuri de cercetare și analiză. La scară industrială, dezintegrarea și liza cu ultrasunete sunt utilizate pentru a izola molecule din fabricile celulare sau pentru a favoriza digestia biomasei.

Ce este dezintegrarea cu ultrasunete?

Dezintegrarea cu ultrasunete, cunoscută și sub numele de omogenizare cu ultrasunete, este un proces care utilizează unde ultrasonice de intensitate ridicată și frecvență joasă pentru a distruge pereții celulari și a perturba structurile moleculare într-un mediu lichid. Această tehnică este utilizată în mod obișnuit în diverse aplicații științifice și industriale, în mai multe scopuri:

Dezintegrarea celulelor: Dezintegrarea cu ultrasunete este utilizată pe scară largă în biologia celulară și în biologia moleculară pentru a perturba membranele celulare, eliberând conținutul celular, cum ar fi proteinele, acizii nucleici și organitele. Acest lucru este util pentru extragerea componentelor intracelulare în vederea analizei sau pentru liza celulelor în procesele de microbiologie și biotehnologie.

• Omogenizare: Contribuie la amestecarea uniformă a componentelor dintr-o probă, în special atunci când se lucrează cu lichide nemiscibile sau când se urmărește obținerea unui amestec omogen de materiale.
• Extracția proteinelor: În biologie, proteomică și științele vieții, analiza proteinelor este o sarcină foarte frecventă. Înainte ca proteinele să poată fi analizate în teste, acestea trebuie extrase din interiorul celulei și izolate. Sonicatoarele reprezintă metoda cel mai larg utilizată pentru extracția proteinelor.
• Fragmentarea ADN-ului: ADN-ul și ARN-ul sunt tipuri distincte de acizi nucleici care stochează și codifică informația genetică în celule. Atunci când ADN-ul și ARN-ul sunt analizate, catenele lungi trebuie uneori fragmentate, un proces care poate fi realizat în mod fiabil și eficient prin sonicare.
• Pregătirea probelor: În cercetare și analiză, pregătirea probelor este o procedură obișnuită înaintea diverselor tehnici analitice. Dezintegrarea cu ultrasunete poate contribui la dizolvarea sau dispersarea probelor, ceea ce poate îmbunătăți acuratețea și reproductibilitatea analizelor.

Avantajele dezintegrării cu ultrasunete

De ce să utilizați un sonicator cu sondă pentru dezintegrare, dezintegrarea celulelor și extracția moleculelor și proteinelor intracelulare? Un sonicator sau dismembrator ultrasonic oferă numeroase avantaje care fac din sonicare tehnologia superioară în comparație cu alte metode de dezintegrare, cum ar fi omogenizarea la presiune înaltă, măcinarea în moară cu bile sau microfluidizarea.

• Netermic: Dezintegrarea cu ultrasunete este o metodă netermică, ceea ce înseamnă că nu se bazează pe căldură pentru a descompune materialele. Acest lucru este avantajos în aplicațiile în care temperaturile ridicate ar putea degrada probele sensibile la căldură.
• Precis și controlat: Procesul poate fi controlat cu mare precizie, permițând realizarea specifică a dezintegrării, amestecării sau reducerii dimensiunii particulelor.
• Rapid și eficient: Ultrasonicarea este, în general, o metodă rapidă și eficientă, ceea ce o face potrivită pentru aplicații cu capacitate ridicată de procesare.
• Utilizare redusă a substanțelor chimice: În multe cazuri, dezintegrarea cu ultrasunete poate reduce necesitatea utilizării substanțelor chimice agresive sau a solvenților organici, ceea ce poate fi ecologic și poate reduce riscul de contaminare chimică.
• Fără medii de măcinare, fără duze: Tehnicile alternative de dezintegrare, cum ar fi măcinarea în moară cu bile/perle sau omogenizatoarele de înaltă presiune, prezintă dezavantaje. Măcinarea în moară cu bile/perle necesită utilizarea mediilor de măcinare (bile sau perle), care trebuie separate și curățate cu efort considerabil. Omogenizatoarele de înaltă presiune au duze predispuse la înfundare. În schimb, omogenizatoarele cu ultrasunete sunt ușor de utilizat, foarte fiabile și robuste, necesitând foarte puțină întreținere.
• Versatilitate: Poate fi aplicată unei game largi de materiale, inclusiv bacterii, celule vegetale, țesuturi de mamifere, alge, fungi etc., ceea ce o face o tehnică versatilă în diverse domenii.
  Scalabilitate: Tehnica ultrasonică poate fi extinsă la scară pentru procese industriale, fiind astfel potrivită atât pentru aplicații de laborator, cât și pentru aplicații de producție la scară largă.

Principiul de funcționare al dezintegrării cu ultrasunete și al dezintegrării celulelor

Ultrasonicarea generează în lichidul expus unde alternante de presiune înaltă și presiune joasă. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice creează în lichid mici bule de vid care colapsează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Acest fenomen se numește cavitație. Implozia bulei de cavitație generează forțe hidrodinamice de forfecare puternice, care provoacă mai întâi sonoporarea și, ulterior, dezintegrarea eficientă a structurilor celulare. Moleculele și organitele intracelulare sunt eliberate complet în solvent.

Dezintegrarea cu ultrasunete a structurilor celulare

Forțele de forfecare pot dezintegra materialul fibros, celulozic, în particule fine și pot rupe pereții structurii celulare. Astfel, o cantitate mai mare de material intracelular, cum ar fi amidonul sau zahărul, este eliberată în lichid. În plus, materialul peretelui celular este fragmentat în resturi mici.

Acest efect poate fi utilizat pentru fermentare, digestie și alte procese de conversie a materiei organice. După măcinare și mărunțire, ultrasonicarea face ca o cantitate mai mare de material intracelular, de ex. amidon, precum și resturile pereților celulari să devină accesibile enzimelor care transformă amidonul în zaharuri. De asemenea, crește suprafața expusă enzimelor în timpul lichefierii sau zaharificării. Aceasta crește de obicei viteza și randamentul fermentației cu drojdie și al altor procese de conversie, de ex. pentru a stimula producția de etanol din biomasă.

Utilizați dezintegrarea cu ultrasunete – fiabil și eficient la orice scară

Sonicatoarele Hielscher sunt disponibile cu diferite puteri nominale și capacități de procesare. Indiferent dacă doriți să sonicați probe biologice mici, de la câțiva microlitri până la câțiva litri, sau trebuie să procesați fluxuri mari de celule sau de biomasă pentru producție, Hielscher Ultrasonics vă va oferi cel mai potrivit dismembrator ultrasonic pentru aplicația dumneavoastră biologică.

• scară de laborator pentru 1mL până la aprox. 5L, de ex. UP400St cu sonotrodă de 22mm
• scară de banc de lucru la aprox. 0,1 până la 20L/min, de ex. UIP1000hdT cu sonotrodă de 34mm și celulă de flux
• scară de producție începând de la 20L/min, de ex. UIP4000hdT sau UIP16000hdT

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre de laborator:

Vă rugăm să utilizați formularul de mai jos dacă doriți să primiți mai multe informații privind utilizarea dispozitivelor cu ultrasunete în scopul dezintegrării celulelor. Vă vom ajuta cu plăcere.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre industriale:

Literatură / Referințe

• Nico Böhmer, Andreas Dautel, Thomas Eisele, Lutz Fischer (2012): Recombinant expression, purification and characterisation of the native glutamate racemase from Lactobacillus plantarum NC8. Protein Expr Purif. 2013 Mar;88(1):54-60.
• Brandy Verhalen, Stefan Ernst, Michael Börsch, Stephan Wilkens (2012): Dynamic Ligand-induced Conformational Rearrangements in P-glycoprotein as Probed by Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy. J Biol Chem. 2012 Jan 6;287(2): 1112-27.
• Claudia Lindemann, Nataliya Lupilova, Alexandra Müller, Bettina Warscheid, Helmut E. Meyer, Katja Kuhlmann, Martin Eisenacher, Lars I. Leichert (2013): Redox Proteomics Uncovers Peroxynitrite-Sensitive Proteins that Help Escherichia coli to Overcome Nitrosative Stress. J Biol Chem. 2013 Jul 5; 288(27): 19698–19714.
• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.