Ultrazvuková dezintegrácia buniek

Ultrazvukové spracovanie je účinným prostriedkom na dezintegráciu bunkových štruktúr. Sonikátory sa preto v laboratóriách široko používajú na rozrušenie buniek a extrakciu vnútrobunkových molekúl, proteínov a organel na výskum a analýzu. V priemyselnom meradle sa ultrazvuková dezintegrácia a lýza používajú na izoláciu molekúl z bunkových tovární alebo na podporu rozkladu biomasy.

Čo je ultrazvuková dezintegrácia?

Ultrazvuková dezintegrácia, známa aj ako ultrazvuková homogenizácia, je proces, pri ktorom sa využívajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou na rozklad bunkových stien a narušenie molekulárnych štruktúr v kvapalnom médiu. Táto technika sa bežne používa v rôznych vedeckých a priemyselných aplikáciách na viaceré účely:

Rozrušenie buniek: Ultrazvuková dezintegrácia sa v bunkovej a molekulárnej biológii široko používa na rozrušenie bunkových membrán, čím sa uvoľňuje bunkový obsah, napríklad proteíny, nukleové kyseliny a organely. Je to užitočné pri extrakcii vnútrobunkových zložiek na analýzu alebo pri lýze buniek v mikrobiologických a biotechnologických procesoch.

• Homogenizácia: Pomáha rovnomerne premiešať zložky vzorky, najmä pri práci s nemiešateľnými kvapalinami alebo pri snahe dosiahnuť rovnomernú zmes materiálov.
• Extrakcia proteínov: V biológii, proteomike a biologických vedách je analýza proteínov veľmi bežnou úlohou. Predtým, ako možno proteíny analyzovať v testoch, musia sa extrahovať z vnútra buniek a izolovať. Sonikátory sú najrozšírenejšou metódou extrakcie proteínov.
• Fragmentácia DNA: DNA a RNA sú odlišné typy nukleových kyselín, ktoré v bunkách uchovávajú a kódujú genetickú informáciu. Pri analýze DNA a RNA sa niekedy musia dlhé reťazce fragmentovať, čo možno spoľahlivo a účinne vykonať sonikáciou.
• Príprava vzoriek: Vo výskume a pri analýze je príprava vzoriek bežným postupom pred použitím rôznych analytických techník. Ultrazvuková dezintegrácia môže pomôcť rozpustiť alebo dispergovať vzorky, čo môže zlepšiť presnosť a reprodukovateľnosť analýz.

Výhody ultrazvukovej dezintegrácie

Prečo používať sondový sonikátor na dezintegráciu, rozrušenie buniek a extrakciu vnútrobunkových molekúl a proteínov? Sonikátor alebo ultrazvukový dezintegrátor ponúka množstvo výhod, vďaka ktorým je sonikácia lepšou technológiou v porovnaní s inými metódami dezintegrácie, ako sú vysokotlaková homogenizácia, guľové mletie alebo mikrofluidizácia.

• Netepelná metóda: Ultrazvuková dezintegrácia je netepelná metóda, čo znamená, že pri rozklade materiálov sa nespolieha na teplo. To je výhodné pri aplikáciách, v ktorých by vysoké teploty mohli znehodnotiť vzorky citlivé na teplo.
• Presné a kontrolované spracovanie: Proces možno riadiť s vysokou presnosťou, čo umožňuje cielené rozrušovanie, miešanie alebo zmenšovanie veľkosti častíc.
• Rýchla a účinná metóda: Ultrazvukové spracovanie je vo všeobecnosti rýchla a účinná metóda, vďaka čomu je vhodné na aplikácie s vysokou kapacitou spracovania vzoriek.
• Znížená spotreba chemikálií: V mnohých prípadoch môže ultrazvuková dezintegrácia znížiť potrebu agresívnych chemikálií alebo organických rozpúšťadiel, čo môže byť šetrné k životnému prostrediu a znížiť riziko chemickej kontaminácie.
• Bez mlecích médií, bez dýz: Alternatívne techniky dezintegrácie, ako sú guľové alebo perličkové mletie či vysokotlakové homogenizátory, majú nevýhody. Guľové alebo perličkové mletie vyžaduje použitie mlecích médií (guľôčok alebo perličiek), ktoré sa musia prácne oddeľovať a čistiť. Vysokotlakové homogenizátory majú dýzy náchylné na upchávanie. Naopak, ultrazvukové homogenizátory sa ľahko používajú, sú vysoko spoľahlivé a robustné a vyžadujú len veľmi malú údržbu.
• Všestrannosť: Možno ju použiť na širokú škálu materiálov vrátane baktérií, rastlinných buniek, tkanív cicavcov, rias, húb atď., vďaka čomu je všestrannou technikou v rôznych oblastiach.
  Škálovateľnosť: Ultrazvukovú techniku možno škálovať na priemyselné procesy, vďaka čomu je vhodná na laboratórne aplikácie aj na veľkokapacitnú výrobu.

Princíp fungovania ultrazvukovej dezintegrácie a rozrušovania buniek

Ultrazvukové spracovanie vytvára v kvapaline vystavenej ultrazvuku striedajúce sa vysokotlakové a nízkotlakové vlny. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny v kvapaline malé vákuové bubliny, ktoré počas vysokotlakového cyklu prudko kolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Implózia kavitačnej bubliny vyvoláva silné hydrodynamické šmykové sily, ktoré najprv spôsobujú sonoporáciu a následne účinné rozrušenie bunkových štruktúr. Vnútrobunkové molekuly a organely sa úplne uvoľnia do rozpúšťadla.

Ultrazvuková dezintegrácia bunkových štruktúr

Šmykové sily môžu dezintegrovať vláknitý celulózový materiál na jemné častice a rozrušiť steny bunkovej štruktúry. Tým sa do kvapaliny uvoľňuje viac vnútrobunkového materiálu, napríklad škrobu alebo cukru. Okrem toho sa materiál bunkových stien rozpadá na malé úlomky.

Tento účinok možno využiť pri fermentácii, rozklade a ďalších procesoch premeny organickej hmoty. Po mletí a drvení ultrazvukové spracovanie sprístupňuje enzýmom, ktoré premieňajú škrob na cukry, viac vnútrobunkového materiálu, napríklad škrobu, ako aj úlomky bunkových stien. Zväčšuje tiež plochu povrchu vystaveného pôsobeniu enzýmov počas skvapalňovania alebo sacharifikácie. To zvyčajne zvyšuje rýchlosť a výťažnosť kvasinkovej fermentácie a ďalších procesov premeny, napríklad na zvýšenie výroby etanolu z biomasy.

Využite ultrazvukovú dezintegráciu – spoľahlivo a účinne v akomkoľvek meradle

Sonikátory Hielscher sú dostupné s rôznymi menovitými výkonmi a kapacitami spracovania. Či už chcete sonikovať malé biologické vzorky s objemom od niekoľkých mikrolitrov po niekoľko litrov, alebo potrebujete vo výrobe spracúvať veľké prúdy buniek či biomasy, Hielscher Ultrasonics vám ponúkne najvhodnejší ultrazvukový dezintegrátor pre vašu biologickú aplikáciu.

• laboratórne meradlo pre 1mL až približne 5L, napr. UP400St s 22mm sonotródou
• stolové meradlo pri prietoku približne 0,1 až 20L/min, napr. UIP1000hdT s 34mm sonotródou a prietokovou celou
• výrobné meradlo od 20L/min, napr. UIP4000hdT alebo UIP16000hdT

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad približnej kapacity spracovania našich laboratórnych ultrazvukových zariadení:

Ak chcete získať viac informácií o používaní ultrazvukových zariadení na dezintegráciu buniek, použite nasledujúci formulár. Radi vám pomôžeme.

Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad približnej kapacity spracovania našich priemyselných ultrazvukových zariadení:

Literatúra / Referencie

• 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.