Producția biosintetică de oligozaharide din laptele uman

Biosinteza oligozaharidelor din laptele uman (HMO) prin fermentație sau reacții enzimatice este un proces complex, consumator și adesea cu randament scăzut. Ultrasonication crește transferul de masă între substrat și fabricile de celule și stimulează creșterea celulelor și metabolismul. Astfel, sonicare intensifică fermentația și procesele biochimice rezultând într-o producție accelerată și mai eficientă de HMOs.

oligozaharide din laptele uman

Oligozaharidele din laptele uman (HMO), cunoscute și sub denumirea de glicani din laptele uman, sunt molecule de zahăr, care fac parte din grupul oligozaharidelor. Exemple proeminente de HMO-uri includ 2'-fucozil-lactoza (2′-FL), lacto-N-neotetraoză (LNnT), 3'-galactozil-lactoză (3′-GL) și difucozil-lactoză (DFL).
În timp ce laptele matern uman este compus din mai mult de 150 de structuri HMO diferite, numai 2′-fucozil-lactoza (2′-FL) și lacto-N-neotetraoza (LNnT) sunt produse în prezent la nivel comercial și utilizate ca aditivi nutriționali în formulele pentru sugari.
Oligozaharidele din laptele uman (HMO) sunt cunoscute pentru semnificația lor în nutriția copiilor. Oligozaharidele din laptele uman sunt un tip unic de nutrienți, care acționează ca prebiotice, antimicrobiene antiadezive și imunomodulatoare în intestinul sugarului și contribuie substanțial la dezvoltarea creierului. HMO-urile se găsesc exclusiv în laptele matern uman; Alte tipuri de lapte de mamifere (de exemplu, vacă, capră, oaie, cămilă etc.) nu prezintă aceste forme specifice de oligozaharide.
Oligozaharidele din laptele uman sunt a treia cea mai abundentă componentă solidă din laptele uman, care poate fi prezentă fie sub formă dizolvată, fie emulsionată sau suspendată în apă. Lactoza și acizii grași sunt cele mai abundente solide găsite în laptele uman. HMO-urile sunt prezente într-o concentrație de 0,35-0,88 uncii (9,9-24,9 g) / L. Sunt cunoscute aproximativ 200 de oligozaharide din lapte uman diferite din punct de vedere structural. Oligozaharida dominantă la 80% din toate femeile este de 2′-fucozil-lactoză, care este prezentă în laptele matern uman într-o concentrație de aproximativ 2,5 g/ l.
Deoarece HMO-urile nu sunt digerate, ele nu contribuie caloric la nutriție. Fiind carbohidrați indigestibili, ele funcționează ca prebiotice și sunt fermentate selectiv de microflora intestinală dorită, în special bifidobacteriile.

Biosinteza oligozaharidelor din laptele uman

Fabricile de celule și sistemele enzimatice / chemo-enzimatice sunt tehnologii actuale utilizate pentru sinteza HMO-urilor. Pentru producția HMO la scară industrială, fermentarea fabricilor de celule microbiene, sinteza biochimică și diferitele reacții enzimatice sunt modalități fezabile de bioproducție HMO. Din motive economice, biosinteza prin fabrici de celule microbiene este în prezent singura tehnică utilizată la nivelul producției industriale de HMO.

Fermentarea HMO-urilor folosind fabrici de celule microbiene

E. coli, Saccharomyces cerevisiae și Lactococcus lactis sunt fabrici de celule utilizate în mod obișnuit pentru bio-producția de molecule biologice, cum ar fi HMOs. Fermentarea este un proces biochimic care utilizează microorganisme pentru a transforma un substrat în molecule biologice vizate. Fabricile de celule microbiene folosesc zaharuri simple ca substrat, pe care le transformă în HMO. Deoarece zaharurile simple (de exemplu, lactoza) sunt un substrat abundent și ieftin, acest lucru menține procesul de biosinteză eficient din punct de vedere al costurilor.
Creșterea și rata de bioconversie sunt influențate în principal de transferul de masă al nutrienților (substratului) către microorganisme. Rata de transfer de masă este un factor principal care afectează sinteza produsului în timpul fermentației. Ultrasonication este bine cunoscut pentru a promova transferul în masă.
În timpul fermentației, condițiile din bioreactor trebuie monitorizate și reglate constant, astfel încât celulele să poată crește cât mai repede posibil pentru a produce apoi biomoleculele vizate (de exemplu, oligozaharide, cum ar fi HMO; insulină; proteine recombinante). Teoretic, formarea produsului începe imediat ce cultura celulară începe să crească. Cu toate acestea, în special în celulele modificate genetic, cum ar fi microorganismele proiectate, este de obicei indusă mai târziu prin adăugarea unei substanțe chimice la substrat, care reglează expresia biomoleculei vizate. Bioreactoare cu ultrasunete (sono-bioreactor) pot fi controlate cu precizie și permit stimularea specifică a microbilor. Acest lucru are ca rezultat o biosinteză accelerată și randamente mai mari.
Liza și extracția cu ultrasunete: Fermentarea HMO-urilor complexe ar putea fi limitată de titrurile scăzute de fermentație și de produsele rămase intracelulare. Liza și extracția cu ultrasunete sunt utilizate pentru a elibera materialul intracelular înainte de purificare și procesele din aval.

Ultrasonically promovat fermentație

Rata de creștere a microbilor, ar fi Escherichia coli, E.coli proiectate, Saccharomyces cerevisiae și Lactococcus lactis poate fi accelerată prin creșterea ratei de transfer de masă și permeabilitatea peretelui celular prin aplicarea ultrasonication controlate de joasă frecvență. Ca o tehnică ușoară, non-termică de procesare, ultrasonication aplică forțe pur mecanice în bulionul de fermentație.
Cavitație acustică: Principiul de lucru al sonicare se bazează pe cavitație acustică. Sonda cu ultrasunete (sonotrode) cuplează undele cu ultrasunete de joasă frecvență în mediu. Undele cu ultrasunete călătoresc prin lichid, creând cicluri alternative de înaltă presiune (compresie) / joasă presiune (rarefiere). Prin comprimarea și întinderea lichidului în cicluri alternative, apar bule de vid minuscule. Aceste bule mici de vid cresc de-a lungul mai multor cicluri până când ajung la o dimensiune în care nu mai pot absorbi energie. În acest punct de creștere maximă, bula de vid implodează violent și generează condiții locale extreme, cunoscute sub numele de fenomenul de cavitație. În "hot-spot-ul" cavitațional, pot fi observate diferențe ridicate de presiune și temperatură și forțe intense de forfecare cu jeturi lichide de până la 280 m / sec. Prin aceste efecte cavitaționale, se realizează transferul complet de masă și sonoporația (perforarea pereților celulari și a membranelor celulare). Nutrienții substratului sunt plutiți către și în celulele vii întregi, astfel încât fabricile de celule sunt hrănite optim și creșterea, precum și ratele de conversie sunt accelerate. Bioreactoarele cu ultrasunete sunt o strategie simplă, dar extrem de eficientă pentru a procesa biomasa într-un proces de biosinteză cu un singur vas.
O sonicare ușoară, controlată cu precizie este binecunoscută pentru intensificarea proceselor de fermentație.
Sonicare îmbunătățește "productivitatea multor bioprocese care implică celule vii prin îmbunătățirea absorbției substratului, creșterea producției sau a creșterii prin creșterea porozității celulare și eliberarea potențial îmbunătățită a componentelor celulare". (Naveena și colab. 2015)
Citiți mai multe despre fermentația asistată ultrasonically!

Naveena et al. (2015) a constatat că intensificarea cu ultrasunete oferă mai multe avantaje în timpul bioprocesării, inclusiv costuri reduse de operare în comparație cu alte opțiuni de tratament îmbunătățite, simplitatea funcționării și cerințele modeste de putere.

Reactoare de fermentare cu ultrasunete de înaltă performanță

Procesele de fermentare implică microorganisme vii, cum ar fi bacteriile sau drojdia, care funcționează ca fabrici de celule. În timp ce sonicare este aplicat pentru a promova transferul de masă și de a crește microorganismul de creștere și rata de conversie, este crucial să se controleze intensitatea cu ultrasunete tocmai pentru a evita distrugerea fabricilor de celule.
Hielscher Ultrasonics este specialist în proiectarea, fabricarea și distribuirea ultrasonicators de înaltă performanță, care pot fi controlate și monitorizate cu precizie pentru a asigura randamente superioare de fermentație.

Controlul procesului nu este esențial doar pentru randamente ridicate și calitate superioară, ci permite repetarea și reproducerea rezultatelor. Mai ales atunci când vine vorba de stimularea fabricilor de celule, adaptarea specifică celulelor a parametrilor sonicare este esențială pentru a obține randamente ridicate și pentru a preveni degradarea celulelor. Prin urmare, toate modelele digitale de ultrasonicators Hielscher sunt echipate cu software inteligent, care vă permite să reglați, monitoriza, și revizui parametrii sonicare. Parametrii procesului cu ultrasunete, ar fi amplitudinea, temperatura, presiunea, durata sonicării, ciclurile de serviciu și aportul de energie sunt esențiale pentru a promova producția HMO prin fermentație.
Software-ul inteligent al ultrasonicators Hielscher înregistrează automat toți parametrii importanți ai procesului pe cardul SD integrat. Înregistrarea automată a datelor procesului de sonicare reprezintă fundamentul pentru standardizarea procesului și reproductibilitatea / repetabilitatea, care sunt necesare pentru bunele practici de fabricație (GMP).

Rectore cu ultrasunete pentru fermentare

Hielscher oferă sonde cu ultrasunete de diferite dimensiuni, lungime și geometrii, care pot fi utilizate pentru lot, precum și tratamente continue de curgere. Reactoare cu ultrasunete, de asemenea, cunoscut sub numele de sono-bioreactoare, sunt disponibile pentru orice volum care acoperă bioprocesarea cu ultrasunete de la probe mici de laborator la nivel de producție pilot și complet comercial.
Este bine cunoscut faptul că locația sonotrodului cu ultrasunete în vasul de reacție influențează distribuția cavitației și micro-streaming în mediu. Sonotrode și reactorul cu ultrasunete trebuie alese în funcție de volumul de procesare al bulionului de celule. În timp ce sonicare poate fi efectuată în lot, precum și în modul continuu, pentru volume mari de producție se recomandă utilizarea unei instalații cu flux continuu. Trecând printr-o celulă de flux cu ultrasunete, toate mediile celulare devine exact aceeași expunere la sonicare, asigurând cel mai eficient tratament. Hielscher Ultrasonics gamă largă de sonde cu ultrasunete și reactoare cu celule de flux permite asamblarea configurației ideale de bioprocesare cu ultrasunete.

Hielscher Ultrasonics – De la laborator la pilot și producție

Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de echipamente cu ultrasunete oferind omogenizatoare cu ultrasunete compacte de mână pentru pregătirea probei la banc-top și sisteme pilot, precum și unități industriale puternice cu ultrasunete care procesează cu ușurință camioane pe oră. Fiind versatil și flexibil în opțiunile de instalare și montare, ultrasonicators Hielscher pot fi ușor integrate în toate tipurile de reactoare lot, fed-batch sau continuu flow-through setări.
Diverse accesorii, precum și piese personalizate permit adaptarea ideală a configurației cu ultrasunete la cerințele procesului.
Construit pentru funcționarea 24/7 sub sarcină maximă și grele în condiții solicitante, procesoarele cu ultrasunete Hielscher sunt fiabile și necesită doar o întreținere redusă.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: