Ультразвуковая дезинтеграция клеток

Обработка ультразвуком – эффективный способ дезинтеграции клеточных структур. Поэтому ультразвуковые аппараты широко используются в лабораториях для вскрытия клеток, извлечения внутриклеточных молекул, белков и органелл для исследований и анализа. В промышленном масштабе ультразвуковая дезинтеграция и лизис применяются для выделения молекул из клеточных фабрик или для содействия разложению биомассы.

Что такое ультразвуковая дезинтеграция?

Ультразвуковая дезинтеграция, также известная как ультразвуковая гомогенизация, – это процесс, в котором используются высокоинтенсивные низкочастотные ультразвуковые волны для разрушения клеточных стенок и молекулярных структур в жидкой среде. Этот метод широко применяется в различных научных и промышленных областях для нескольких целей:

Разрушение клеток: Ультразвуковая дезинтеграция широко используется в клеточной и молекулярной биологии для разрушения клеточных мембран с высвобождением содержимого клеток, такого как белки, нуклеиновые кислоты и органеллы. Это полезно для извлечения внутриклеточных компонентов для анализа или для лизиса клеток в микробиологических и биотехнологических процессах.

• Гомогенизация: Она способствует равномерному смешиванию компонентов образца, особенно при работе с несмешивающимися жидкостями или при необходимости получить однородную смесь материалов.
• Экстракция белков: В биологии, протеомике и науках о жизни анализ белков является очень распространённой задачей. Прежде чем белки можно будет исследовать с помощью аналитических методов, их необходимо извлечь из клеток и выделить. Применение ультразвуковых аппаратов – наиболее широко используемый метод экстракции белков.
• Фрагментация ДНК: ДНК и РНК – различные типы нуклеиновых кислот, которые хранят и кодируют генетическую информацию в клетках. При анализе ДНК и РНК иногда необходимо фрагментировать длинные цепи; этот процесс можно надёжно и эффективно выполнить посредством обработки ультразвуком.
• Подготовка образцов: В исследованиях и анализе подготовка образцов является обычной процедурой перед применением различных аналитических методов. Ультразвуковая дезинтеграция может способствовать растворению или диспергированию образцов, что может повысить точность и воспроизводимость анализов.

Преимущества ультразвуковой дезинтеграции

Зачем использовать ультразвуковой аппарат зондового типа для дезинтеграции, разрушения клеток и извлечения внутриклеточных молекул и белков? Ультразвуковой аппарат, или ультразвуковой дезинтегратор, обладает многочисленными преимуществами, которые делают обработку ультразвуком более совершенной технологией по сравнению с другими методами дезинтеграции, такими как гомогенизация под высоким давлением, измельчение в шаровой мельнице или микрофлюидизация.

• Нетермический метод: Ультразвуковая дезинтеграция является нетермическим методом, то есть для разрушения материалов она не использует тепло. Это преимущество для применений, в которых высокие температуры могут привести к деградации термочувствительных образцов.
• Точность и управляемость: Процессом можно управлять с высокой точностью, обеспечивая заданное разрушение, смешивание или уменьшение размера частиц.
• Быстрота и эффективность: Обработка ультразвуком, как правило, является быстрым и эффективным методом, что делает её подходящей для применений с высокой производительностью.
• Снижение расхода химических веществ: Во многих случаях ультразвуковая дезинтеграция может снизить потребность в агрессивных химических веществах или органических растворителях, что может быть экологически благоприятным и уменьшать риск химического загрязнения.
• Без мелющих тел и сопел: Альтернативные методы дезинтеграции, такие как измельчение в шаровых или бисерных мельницах либо применение гомогенизаторов высокого давления, имеют недостатки. Измельчение в шаровых или бисерных мельницах требует использования мелющих тел (шариков или бусин), отделение и очистка которых трудоёмки. Гомогенизаторы высокого давления имеют сопла, склонные к засорению. В отличие от них, ультразвуковые гомогенизаторы просты в использовании, отличаются высокой надёжностью и прочностью и требуют очень небольшого объёма технического обслуживания.
• Универсальность: Метод может применяться к широкому спектру материалов, включая бактерии, растительные клетки, ткани млекопитающих, водоросли, грибы и т. д., что делает его универсальным для различных областей.
  Масштабируемость: Ультразвуковой метод можно масштабировать для промышленных процессов, что делает его подходящим как для лабораторных применений, так и для крупномасштабного производства.

Принцип действия ультразвуковой дезинтеграции и разрушения клеток

Обработка ультразвуком создаёт в обрабатываемой жидкости чередующиеся волны высокого и низкого давления. Во время фазы низкого давления ультразвуковые волны создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки, которые резко схлопываются во время фазы высокого давления. Это явление называется кавитацией. Схлопывание кавитационного пузырька создаёт мощные гидродинамические силы сдвига, которые сначала вызывают сонопорацию, а затем эффективное разрушение клеточных структур. Внутриклеточные молекулы и органеллы полностью высвобождаются в растворитель.

Ультразвуковая дезинтеграция клеточных структур

Силы сдвига могут дезинтегрировать волокнистый целлюлозный материал до мелких частиц и разрушать стенки клеточных структур. При этом в жидкость высвобождается больше внутриклеточного материала, например крахмала или сахара. Кроме того, материал клеточных стенок распадается на мелкие фрагменты.

Этот эффект можно использовать для ферментации, разложения и других процессов преобразования органического вещества. После измельчения и размола обработка ультразвуком делает больше внутриклеточного материала, например крахмала, а также фрагментов клеточных стенок доступными для ферментов, преобразующих крахмал в сахара. Она также увеличивает площадь поверхности, доступной для воздействия ферментов при разжижении или осахаривании. Это обычно повышает скорость и выход дрожжевой ферментации и других процессов преобразования, например для увеличения производства этанола из биомассы.

Используйте ультразвуковую дезинтеграцию – надёжно и эффективно в любом масштабе

Ультразвуковые аппараты Hielscher доступны с различной номинальной мощностью и производительностью обработки. Независимо от того, хотите ли вы обрабатывать ультразвуком небольшие биологические образцы объёмом от нескольких микролитров до нескольких литров или вам необходимо обрабатывать большие потоки клеток или биомассы для производства, Hielscher Ultrasonics предложит вам наиболее подходящий ультразвуковой дезинтегратор для вашего биологического применения.

• лабораторный масштаб для объёмов от 1mL до прибл. 5L, например UP400St с сонотродом 22mm
• настольные установки с расходом прибл. от 0,1 до 20L/min, например UIP1000hdT с сонотродом 34mm и проточной ячейкой
• производственный масштаб с расходом от 20L/min, например UIP4000hdT или UIP16000hdT

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность обработки наших лабораторных ультразвуковых аппаратов:

Пожалуйста, воспользуйтесь формой ниже, если хотите получить дополнительную информацию об использовании ультразвуковых устройств для дезинтеграции клеток. Мы будем рады помочь вам.

В таблице ниже приведена ориентировочная производительность обработки наших промышленных ультразвуковых аппаратов:

Литература / Источники

• 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.