Biosintetična proizvodnja oligosaharidov iz materinega mleka

Biosinteza oligosaharidov človeškega mleka (HMO) s fermentacijo ali encimskimi reakcijami je zapleten, poraben in pogosto nizko donosen proces. Ultrasonication poveča prenos mase med substratom in celičnimi tovarnami ter spodbuja rast in presnovo celic. S tem ultrazvočna razbijanja intenzivira fermentacijo in biokemične procese, kar ima za posledico pospešeno in učinkovitejšo proizvodnjo HMO.

oligosaharidi v materinem mleku

Human milk oligosaccharides (HMOs), also known as human milk glycans, are sugar molecules, that are part of the oligosaccharides group. Prominent examples of HMOs include 2′-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3′-galactosyllactose (3′-GL) in difukozil laktozo (DFL).
Medtem ko je človeško materino mleko sestavljeno iz več kot različnih 150 struktur HMO, se trenutno na komercialni ravni proizvajajo le 2'-fukozillaktoza (2′-FL) in lakto-N-neotetraoza (LNnT) in se uporabljajo kot prehranski dodatki v začetnih formulah za dojenčke.
Human milk oligosaccharides (HMOs) are known for their significance in baby nutrition. Human milk oligosaccharides are a unique type of nutrients, which act as prebiotics, anti-adhesive antimicrobials, and immunomodulators within the infant’s gut and contribute substantially to the brain development. HMOs are exclusively found in human breast milk; other mammalian milks ( e.g. cow, goat, sheep, camel etc.) do not have these specific form of oligosaccharides.
Oligosaharidi iz človeškega mleka so tretja najpogostejša trdna sestavina v materinem mleku, ki je lahko prisotna v raztopljeni ali emulgirani ali suspendirani obliki v vodi. Laktoza in maščobne kisline so najpogostejše trdne snovi, ki jih najdemo v materinem mleku. HMO so prisotni v koncentraciji 0,35–0,88 unče (9,9–24,9 g)? L. Znanih je približno 200 strukturno različnih oligosaharidov človeškega mleka. Prevladujoči oligosaharid pri 80% vseh žensk je 2′-fukozillaktozo, ki je prisotna v materinem mleku v koncentraciji približno 2,5 g/l.
Ker HMO niso prebavljeni, ne prispevajo kalorično k prehrani. Ker so neprebavljivi ogljikovi hidrati, delujejo kot prebiotiki in jih selektivno fermentira zaželena črevesna mikroflora, zlasti bifidobakterije.

Biosinteza oligosaharidov človeškega mleka

Celične tovarne in encimski? kemo-encimski sistemi so trenutne tehnologije, ki se uporabljajo za sintezo HMO. Za proizvodnjo HMO v industrijskem obsegu so fermentacija tovarn mikrobnih celic, biokemična sinteza in različne encimske reakcije izvedljivi načini bioproizvodnje HMO. Zaradi ekonomskih razlogov je biosinteza prek tovarn mikrobnih celic trenutno edina tehnika, ki se uporablja na ravni industrijske proizvodnje HMO.

Fermentacija HMO z uporabo mikrobnih celičnih tovarn

E.coli, Saccharomyces cerevisiae in Lactococcus lactis so pogosto uporabljene celične tovarne, ki se uporabljajo za bioproizvodnjo bioloških molekul, kot so HMO. Fermentacija je biokemični proces, ki uporablja mikroorganizme za pretvorbo substrata v ciljne biološke molekule. Tovarne mikrobnih celic uporabljajo preproste sladkorje kot substrat, ki jih pretvorijo v HMO. Ker so preprosti sladkorji (npr. laktoza) obilen in poceni substrat, to ohranja postopek biosinteze stroškovno učinkovit.
Na rast in stopnjo biokonverzije vpliva predvsem prenos mas hranil (substrata) na mikroorganizme. Hitrost prenosa mase je glavni dejavnik, ki vpliva na sintezo proizvoda med fermentacijo. Znano je, da ultrasonication spodbuja prenos mase.
Med fermentacijo je treba pogoje v bioreaktorju nenehno spremljati in uravnavati, tako da lahko celice rastejo čim hitreje, da bi nato proizvedle ciljne biomolekule (npr. oligosaharide, kot so HMO, inzulin, rekombinantne beljakovine). Teoretično se tvorba izdelka začne takoj, ko celična kultura začne rasti. Vendar pa se zlasti v gensko spremenjenih celicah, kot so inženirski mikroorganizmi, običajno sproži pozneje z dodajanjem kemične snovi substratu, ki poveča izražanje ciljne biomolekule. Ultrazvočni bioreaktorji (sono-bioreaktor) so lahko natančno nadzorovani in omogočajo specifično stimulacijo mikrobov. To ima za posledico pospešeno biosintezo in višje donose.
Ultrazvočna liza in ekstrakcija: Fermentacija kompleksnih HMO je lahko omejena z nizkimi fermentacijskimi titri in produkti, ki ostanejo znotrajcelični. Ultrazvočna liza in ekstrakcija se uporablja za sproščanje znotrajceličnega materiala pred čiščenjem in nadaljnjimi procesi.

Ultrazvočno spodbujana fermentacija

Hitrost rasti mikrobov, kot so Escherichia coli, inženirska E.coli, Saccharomyces cerevisiae in Lactococcus lactis, se lahko pospeši s povečanjem hitrosti prenosa mase in prepustnosti celične stene z uporabo nadzorovane nizkofrekvenčne ultrazvočne obdelave. Kot blaga, netoplotna tehnika obdelave ultrazvok uporablja čisto mehanske sile v fermentacijsko juho.
Acoustic Cavitation: The working principle of sonication is based on acoustic cavitation. The ultrasonic probe (sonotrode) couples low-frequency ultrasound waves into the medium. The ultrasound waves travel through the liquid creating alternating high-pressure (compression)? low-pressure (rarefaction) cycles. By compressing and stretching the liquid in alternating cycles, minute vacuum bubbles arise. These small vacuum bubbles grow over several cycles until they reach a size where they cannot absorb any further energy. At this point of maximum growth, the vacuum bubble implodes violently and generates locally extreme conditions, known as the phenomenon of cavitation. In the cavitational “vroča točka”, high pressure and temperature differentials and intense shear forces with liquid jets of up to 280m/sec can be observed. By these cavitational effects, thorough mass transfer and sonoporation (the perforation of cell walls and cell membranes) is achieved. The nutrients of the substrate are floated to and into the living whole cells, so that the cell factories are optimally nourished and growth as well as conversion rates are accelerated. Ultrasonic bioreactors are a simple, yet highly effective strategy to process biomass in a one-pot biosynthesis process.
Natančno nadzorovana, blaga ultrazvočna razbijanje je dobro znano, da okrepi fermentacijske procese.
Sonication se izboljša “the productivity of many bioprocesses involving live cells via the enhancement of substrate uptake, enhanced production or growth by increasing cell porosity, and potentially enhanced release of cell components.” (Naveena et al. 2015)
Preberite več o ultrazvočno podprti fermentaciji!

(2015) ugotovili, da ultrazvočna intenzifikacija ponuja več prednosti med bioprocesiranjem, vključno z nizkimi obratovalnimi stroški v primerjavi z drugimi možnostmi zdravljenja, enostavnostjo delovanja in skromnimi zahtevami po moči.

Visoko zmogljivi ultrazvočni fermentacijski reaktorji

Fermentation processes involve living microorganisms such as bacteria or yeast, which function as cell factories. Whilst sonication is applied to promote mass transfer and increase microorganism’s growth and conversion rate, it is crucial to control the ultrasonic intensity precisely in order to avoid the destruction of the cell factories.
Hielscher Ultrasonics je specialist za načrtovanje, proizvodnjo in distribucijo visoko zmogljivih ultrazvočnih aparatov, ki jih je mogoče natančno nadzorovati in spremljati, da se zagotovi vrhunski donos fermentacije.

Nadzor procesa ni bistvenega pomena le za visoke donose in vrhunsko kakovost, temveč omogoča ponavljanje in reprodukcijo rezultatov. Še posebej, ko gre za stimulacijo celičnih tovarn, je celično specifična prilagoditev parametrov ultrazvočnega razbijanja bistvenega pomena za doseganje visokih donosov in preprečevanje razgradnje celic. Zato so vsi digitalni modeli Hielscher ultrazvočnih aparatov opremljeni z inteligentno programsko opremo, ki vam omogoča prilagajanje, spremljanje in revizijo parametrov ultrazvočnega razbijanja. Ultrazvočni procesni parametri, kot so amplituda, temperatura, tlak, trajanje ultrazvočne obdelave, delovni cikli in vnos energije, so bistvenega pomena za spodbujanje proizvodnje HMO s fermentacijo.
Pametna programska oprema Hielscher ultrazvočnih aparatov samodejno beleži vse pomembne procesne parametre na integrirano SD kartico. Samodejno beleženje podatkov o postopku ultrazvočne obdelave je temelj za standardizacijo procesov in obnovljivost? ponovljivost, ki so potrebni za dobro proizvodno prakso (GMP).

Ultrazvočni rektorji za fermentacijo

Hielscher ponuja ultrazvočne sonde različnih velikosti, dolžin in geometrij, ki se lahko uporabljajo za serijske in neprekinjene pretočne obdelave. Ultrazvočni reaktorji, znani tudi kot sono-bioreaktorji, so na voljo za vsak volumen, ki pokriva ultrazvočno bioprocesiranje od majhnih laboratorijskih vzorcev do pilotne in popolnoma komercialne ravni proizvodnje.
Znano je, da lokacija ultrazvočne sonotrode v reakcijski posodi vpliva na porazdelitev kavitacije in mikro-toka v mediju. Sonotrode in ultrazvočni reaktor je treba izbrati v skladu s prostornino obdelave celične juhe. Medtem ko se ultrazvočno razbijanje lahko izvaja tako v seriji kot v neprekinjenem načinu, je za velike količine proizvodnje priporočljiva uporaba naprave z neprekinjenim tokom. Skozi ultrazvočno pretočno celico je ves celični medij popolnoma enako izpostavljen ultrazvočni obdelavi, kar zagotavlja najučinkovitejše zdravljenje. Hielscher Ultrasonics široka paleta ultrazvočnih sond in reaktorjev pretočnih celic omogoča sestavljanje idealne ultrazvočne bioprocesne nastavitve.

Hielscher Ultrasonics – Od laboratorija do pilota do proizvodnje

Hielscher Ultrasonics pokriva celoten spekter ultrazvočne opreme, ki ponuja kompaktne ročne ultrazvočne homogenizatorje za pripravo vzorcev na klopi in pilotne sisteme ter zmogljive industrijske ultrazvočne enote, ki enostavno obdelujejo tovornjake na uro. Ker so Hielscher ultrazvočni aparati vsestranski in prilagodljivi pri možnostih namestitve in montaže, jih je mogoče enostavno integrirati v vse vrste šaržnih reaktorjev, napajalnih serij ali nastavitev neprekinjenega pretoka.
Različni dodatki in prilagojeni deli omogočajo idealno prilagoditev vaše ultrazvočne nastavitve vašim zahtevam procesa.
Zgrajeni za 24/7 delovanje pri polni obremenitvi in težkih pogojih v zahtevnih pogojih, so Hielscher ultrazvočni procesorji zanesljivi in zahtevajo le nizko vzdrževanje.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: