Ultrazvočna dezintegracija celic

Ultrazvočna obdelava je učinkovit način dezintegracije celičnih struktur. Zato se sonikatorji v laboratorijih pogosto uporabljajo za razgradnjo celic ter ekstrakcijo znotrajceličnih molekul, beljakovin in organelov za raziskave in analize. V industrijskem merilu se ultrazvočna dezintegracija in liza uporabljata za izolacijo molekul iz celičnih tovarn ali za pospeševanje razgradnje biomase.

Kaj je ultrazvočna dezintegracija?

Ultrazvočna dezintegracija, znana tudi kot ultrazvočna homogenizacija, je postopek, pri katerem se ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti in nizke frekvence uporabljajo za razgradnjo celičnih sten in porušitev molekulskih struktur v tekočem mediju. Ta tehnika se pogosto uporablja v različnih znanstvenih in industrijskih aplikacijah za več namenov:

Razgradnja celic: Ultrazvočna dezintegracija se pogosto uporablja v celični in molekularni biologiji za porušitev celičnih membran, pri čemer se sprosti celična vsebina, kot so beljakovine, nukleinske kisline in organeli. To je uporabno za ekstrakcijo znotrajceličnih sestavin za analizo ali za lizo celic v mikrobioloških in biotehnoloških procesih.

• Homogenizacija: Pomaga pri enakomernem mešanju sestavin v vzorcu, zlasti pri tekočinah, ki se ne mešajo, ali kadar želimo doseči enotno zmes materialov.
• Ekstrakcija beljakovin: V biologiji, proteomiki in vedah o življenju je analiza beljakovin zelo pogosto opravilo. Preden lahko beljakovine analiziramo s testi, jih je treba ekstrahirati iz notranjosti celice in izolirati. Uporaba sonikatorjev je najpogosteje uporabljena metoda za ekstrakcijo beljakovin.
• Fragmentacija DNA: DNA in RNA sta različni vrsti nukleinskih kislin, ki v celicah shranjujeta in kodirata genetske informacije. Pri analizi DNA in RNA je treba dolge verige včasih fragmentirati, kar je mogoče zanesljivo in učinkovito izvesti s sonikacijo.
• Priprava vzorcev: Pri raziskavah in analizah je priprava vzorcev običajen postopek pred uporabo različnih analiznih tehnik. Ultrazvočna dezintegracija lahko pomaga pri raztapljanju ali dispergiranju vzorcev, kar lahko izboljša točnost in ponovljivost analiz.

Prednosti ultrazvočne dezintegracije

Zakaj uporabljati sonikator s sondo za dezintegracijo, razgradnjo celic ter ekstrakcijo znotrajceličnih molekul in beljakovin? Sonikator oziroma ultrazvočni dezintegrator ponuja številne prednosti, zaradi katerih je sonikacija boljša tehnologija v primerjavi z drugimi metodami dezintegracije, kot so visokotlačna homogenizacija, mletje s kroglami ali mikrofluidizacija.

• Netermična: Ultrazvočna dezintegracija je netermična metoda, kar pomeni, da se pri razgradnji materialov ne opira na toploto. To je prednost pri aplikacijah, pri katerih bi visoke temperature lahko razgradile toplotno občutljive vzorce.
• Natančna in nadzorovana: Postopek je mogoče zelo natančno nadzorovati, kar omogoča ciljno razgradnjo, mešanje ali zmanjšanje velikosti delcev.
• Hitra in učinkovita: Ultrazvočna obdelava je na splošno hitra in učinkovita metoda, zato je primerna za aplikacije z veliko zmogljivostjo obdelave vzorcev.
• Manjša poraba kemikalij: V številnih primerih lahko ultrazvočna dezintegracija zmanjša potrebo po agresivnih kemikalijah ali organskih topilih, kar je lahko okolju prijazno in zmanjša tveganje kemične kontaminacije.
• Brez mlevnih teles, brez šob: Druge tehnike dezintegracije, kot sta mletje s kroglami oziroma kroglicami ali uporaba visokotlačnih homogenizatorjev, imajo pomanjkljivosti. Mletje s kroglami oziroma kroglicami zahteva uporabo mlevnih teles (kroglic ali biserov), ki jih je treba z veliko truda ločiti in očistiti. Visokotlačni homogenizatorji imajo šobe, ki so nagnjene k zamašitvi. Nasprotno pa so ultrazvočni homogenizatorji preprosti za uporabo, zelo zanesljivi in robustni ter zahtevajo zelo malo vzdrževanja.
• Vsestranskost: Uporablja se lahko za širok nabor materialov, vključno z bakterijami, rastlinskimi celicami, tkivom sesalcev, algami, glivami itd., zato je vsestranska tehnika na različnih področjih.
  Možnost povečanja merila: Ultrazvočno tehniko je mogoče prenesti v večje merilo za industrijske procese, zato je primerna tako za laboratorijske aplikacije kot za proizvodnjo v velikem merilu.

Načelo delovanja ultrazvočne dezintegracije in razgradnje celic

Ultrazvočna obdelava v izpostavljeni tekočini ustvarja izmenjujoče se visokotlačne in nizkotlačne valove. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi v tekočini ustvarijo majhne vakuumske mehurčke, ki med visokotlačnim ciklom silovito implodirajo. Ta pojav imenujemo kavitacija. Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči močne hidrodinamične strižne sile, ki najprej povzročijo sonoporacijo, nato pa učinkovito razgradnjo celičnih struktur. Znotrajcelične molekule in organeli se v celoti sprostijo v topilo.

Ultrazvočna dezintegracija celičnih struktur

Strižne sile lahko vlaknast celulozni material dezintegrirajo v drobne delce in porušijo stene celične strukture. Tako se v tekočino sprosti več znotrajceličnega materiala, kot sta škrob ali sladkor. Poleg tega se material celičnih sten razgradi v drobne ostanke.

Ta učinek je mogoče uporabiti pri fermentaciji, razgradnji in drugih procesih pretvorbe organske snovi. Po mletju in drobljenju ultrazvočna obdelava omogoči, da je encimom, ki pretvarjajo škrob v sladkorje, na voljo več znotrajceličnega materiala, npr. škroba, pa tudi ostankov celičnih sten. Poveča tudi površino, ki je med utekočinjanjem ali saharifikacijo izpostavljena encimom. To običajno poveča hitrost in izkoristek fermentacije s kvasovkami ter drugih procesov pretvorbe, npr. za povečanje proizvodnje etanola iz biomase.

Uporabite ultrazvočno dezintegracijo – zanesljivo in učinkovito v katerem koli merilu

Sonikatorji Hielscher so na voljo z različnimi nazivnimi močmi in zmogljivostmi obdelave. Ne glede na to, ali želite sonicirati majhne biološke vzorce od nekaj mikrolitrov do nekaj litrov ali morate za proizvodnjo obdelovati velike tokove celic ali biomase, vam bo Hielscher Ultrasonics ponudil najprimernejši ultrazvočni dezintegrator za vašo biološko aplikacijo.

• laboratorijsko merilo za 1mL do približno 5L, npr. UP400St z 22mm sonotrodo
• namizno merilo pri približno 0,1 do 20L/min, npr. UIP1000hdT s 34mm sonotrodo in pretočno celico
• proizvodno merilo od 20L/min naprej, npr. UIP4000hdT ali UIP16000hdT

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših laboratorijskih ultrazvočnih naprav:

Če želite prejeti več informacij o uporabi ultrazvočnih naprav za dezintegracijo celic, uporabite spodnji obrazec. Z veseljem vam bomo pomagali.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših industrijskih ultrazvočnih naprav:

Literatura / Viri

• 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.