Биосинтетичка производња олигосахарида хуманог млека

Биосинтеза олигосахарида хуманог млека (HMOs) ферментацијом или ензимским реакцијама сложен је и захтеван процес који често даје низак принос. Ултразвучна обрада повећава пренос масе између супстрата и ћелијских фабрика и подстиче раст и метаболизам ћелија. Тиме се интензивирају ферментација и биохемијски процеси, што доводи до убрзане и ефикасније производње HMOs.

Олигосахариди хуманог млека

Олигосахариди хуманог млека (HMOs), познати и као гликани хуманог млека, јесу молекули шећера који припадају групи олигосахарида. Истакнути примери HMOs обухватају 2’-фукозиллактозу (2′-FL), лакто-N-неотетраозу (LNnT), 3’-галактозиллактозу (3′-GL) и дифукозиллактозу (DFL).
Иако хумано млеко садржи више од 150 различитих структура HMOs, тренутно се само 2′-фукозиллактоза (2′-FL) и лакто-N-неотетраоза (LNnT) производе на комерцијалном нивоу и користе као нутритивни додаци у формулама за одојчад.
Олигосахариди хуманог млека (HMOs) познати су по свом значају за исхрану одојчади. Олигосахариди хуманог млека су јединствена врста хранљивих материја које у цревима одојчета делују као пребиотици, антимикробни агенси који спречавају адхезију и имуномодулатори, а знатно доприносе и развоју мозга. HMOs се налазе искључиво у хуманом млеку; млеко других сисара (нпр. крава, коза, оваца, камила итд.) не садржи ове специфичне облике олигосахарида.
Олигосахариди хуманог млека су трећа по заступљености чврста компонента хуманог млека, која може бити растворена, емулгована или суспендована у води. Лактоза и масне киселине су најзаступљеније чврсте материје у хуманом млеку. HMOs су присутни у концентрацији од 0,35–0,88 унци (9,9–24,9 g)/ L. Познато је приближно 200 структурно различитих олигосахарида хуманог млека. Доминантни олигосахарид код 80% свих жена је 2′-фукозиллактоза, која је у хуманом млеку присутна у концентрацији од приближно 2,5 g/ L.
Пошто се HMOs не варе, они не доприносе калоријској вредности исхране. Као несварљиви угљени хидрати, делују као пребиотици и селективно их ферментише пожељна цревна микрофлора, нарочито бифидобактерије.

Биосинтеза олигосахарида хуманог млека

Ћелијске фабрике и ензимски / хемоензимски системи су технологије које се тренутно користе за синтезу HMOs. За производњу HMOs у индустријским размерама, ферментација помоћу микробних ћелијских фабрика, биохемијска синтеза и различите ензимске реакције представљају изводљиве начине биопроизводње HMOs. Из економских разлога, биосинтеза помоћу микробних ћелијских фабрика тренутно је једина техника која се користи за производњу HMOs на индустријском нивоу.

Ферментациона производња HMOs помоћу микробних ћелијских фабрика

E.coli, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis често се користе као ћелијске фабрике за биопроизводњу биолошких молекула као што су олигосахариди хуманог млека (HMO). Ферментација је биохемијски процес у ком се микроорганизми користе за претварање супстрата у циљне биолошке молекуле. Микробне ћелијске фабрике користе једноставне шећере као супстрат, који претварају у HMO. Пошто су једноставни шећери (нпр. лактоза) обилно доступан и јефтин супстрат, процес биосинтезе остаје економичан.
На брзину раста и биоконверзије углавном утиче пренос масе хранљивих материја (супстрата) до микроорганизама. Брзина преноса масе један је од главних фактора који утичу на синтезу производа током ферментације. Добро је познато да ултразвучна обрада подстиче пренос масе.
Током ферментације услови у биореактору морају се непрекидно пратити и регулисати како би ћелије могле да расту што брже, а затим да производе циљне биомолекуле (нпр. олигосахариде као што су HMO; инсулин; рекомбинантне протеине). Теоретски, стварање производа почиње чим ћелијска култура почне да расте. Међутим, нарочито код генетички модификованих ћелија, као што су микроорганизми добијени генетичким инжењерством, оно се обично индукује касније додавањем хемијске супстанце у супстрат, чиме се повећава експресија циљног биомолекула. Ултразвучним биореакторима (сонобиореакторима) може се прецизно управљати и они омогућавају специфичну стимулацију микроба. То доводи до убрзане биосинтезе и већих приноса.
Ултразвучна лиза и екстракција: Ферментација сложених HMO може бити ограничена ниским ферментационим титрима и задржавањем производа унутар ћелија. Ултразвучна лиза и екстракција користе се за ослобађање унутарћелијског материјала пре пречишћавања и накнадних процеса обраде.

Ферментација подстакнута ултразвуком

Раст микроба као што су Escherichia coli, E.coli добијена генетичким инжењерством, Saccharomyces cerevisiae и Lactococcus lactis може се убрзати повећањем брзине преноса масе и пропустљивости ћелијског зида применом контролисане нискофреквентне ултразвучне обраде. Као блага, нетермичка техника обраде, ултразвучна обрада делује на ферментациону подлогу искључиво механичким силама.
Акустична кавитација: Принцип рада соникације заснива се на акустичној кавитацији. Ултразвучна сонда (сонотрода) преноси нискофреквентне ултразвучне таласе у медијум. Ултразвучни таласи пролазе кроз течност и стварају наизменичне циклусе високог притиска (компресије) / ниског притиска (разређивања). Услед сабијања и растезања течности у наизменичним циклусима настају сићушни вакуумски мехурићи. Ови мали вакуумски мехурићи расту током више циклуса док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. У тој тачки максималног раста вакуумски мехурић нагло имплодира и локално ствара екстремне услове, познате као појава кавитације. У кавитационој „врућој тачки“ могу се уочити велике разлике у притиску и температури и интензивне силе смицања, уз млазеве течности брзине до 280m/sec. Овим кавитационим ефектима постижу се темељан пренос масе и сонопорација (перфорација ћелијских зидова и ћелијских мембрана). Хранљиве материје из супстрата преносе се до живих, целих ћелија и у њихову унутрашњост, тако да се ћелијске фабрике оптимално снабдевају хранљивим материјама, а раст и конверзија се убрзавају. Ултразвучни биореактори представљају једноставну, али веома ефикасну стратегију за обраду биомасе у процесу биосинтезе у једној реакционој посуди.
Добро је познато да прецизно контролисана, блага соникација интензивира процесе ферментације.
Соникација побољшава „продуктивност многих биопроцеса који укључују живе ћелије путем побољшаног усвајања супстрата, повећане производње или раста услед повећања порозности ћелија и потенцијално повећаног ослобађања ћелијских компоненти.“ (Naveena et al. 2015)
Прочитајте више о ферментацији потпомогнутој ултразвуком!

Naveena и сар. (2015) утврдили су да ултразвучно интензивирање пружа неколико предности током биопроцесирања, укључујући ниске оперативне трошкове у поређењу са другим поступцима за побољшање процеса, једноставно руковање и скромне захтеве у погледу снаге.

Ултразвучни реактори високих перформанси за ферментацију

Процеси ферментације укључују живе микроорганизме, као што су бактерије или квасци, који функционишу као ћелијске фабрике. Док се соникација примењује ради побољшања преноса масе и повећања брзине раста микроорганизама и конверзије, прецизна контрола интензитета ултразвука је пресудна како би се избегло уништавање ћелијских фабрика.
Hielscher Ultrasonics је специјалиста за пројектовање, производњу и дистрибуцију ултразвучних уређаја високих перформанси, који се могу прецизно контролисати и надзирати како би се обезбедили врхунски приноси ферментације.

Контрола процеса није само неопходна за високе приносе и врхунски квалитет, већ омогућава и понављање и репродуковање резултата. Нарочито када је реч о стимулацији ћелијских фабрика, прилагођавање параметара соникације специфичностима ћелија неопходно је за постизање високих приноса и спречавање разградње ћелија. Зато су сви дигитални модели ултразвучних уређаја Hielscher опремљени интелигентним софтвером, који вам омогућава да подешавате, пратите и мењате параметре соникације. Параметри ултразвучног процеса, као што су амплитуда, температура, притисак, трајање соникације, радни циклуси и унос енергије, неопходни су за подстицање производње HMO ферментацијом.
Паметни софтвер ултразвучних уређаја Hielscher аутоматски бележи све важне параметре процеса на уграђену SD картицу. Аутоматско бележење података о процесу соникације представља основу за стандардизацију процеса и репродуктивност / поновљивост, које су неопходне за добру произвођачку праксу (GMP).

Ултразвучни реактори за ферментацију

Hielscher нуди ултразвучне сонде различитих величина, дужина и геометријских облика, које се могу користити и за шаржне и за континуиране проточне третмане. Ултразвучни реактори, познати и као соно-биореактори, доступни су за било коју запремину и покривају ултразвучно биопроцесирање од малих лабораторијских узорака до пилотског и потпуно комерцијалног нивоа производње.
Добро је познато да положај ултразвучне сонотроде у реакционој посуди утиче на расподелу кавитације и микрострујања у медијуму. Сонотроду и ултразвучни реактор треба изабрати у складу са запремином ћелијске суспензије која се обрађује. Иако се соникација може спроводити и у шаржном и у континуираном режиму, за велике производне запремине препоручује се употреба постројења са континуираним протоком. При проласку кроз ултразвучну проточну ћелију, целокупан медијум са ћелијама изложен је потпуно истој соникацији, чиме се обезбеђује најефикаснији третман. Широк асортиман ултразвучних сонди и реактора са проточном ћелијом компаније Hielscher Ultrasonics омогућава састављање идеалног система за ултразвучно биопроцесирање.

Hielscher Ultrasonics – од лабораторије преко пилотског нивоа до производње

Hielscher Ultrasonics покрива цео спектар ултразвучне опреме, нудећи компактне ручне ултразвучне хомогенизаторе за припрему узорака, стоне и пилотске системе, као и снажне индустријске ултразвучне уређаје који лако обрађују количине које одговарају камионским товарима на сат. Захваљујући свестраности и флексибилним могућностима уградње и монтаже, Hielscher ултразвучни уређаји могу се лако интегрисати у све врсте шаржних реактора, шаржних система са прихрањивањем или система са континуираним протоком.
Разноврсна додатна опрема, као и делови израђени по мери, омогућавају идеално прилагођавање вашег ултразвучног система захтевима вашег процеса.
Конструисани за рад 24/7 под пуним оптерећењем и за тежак рад у захтевним условима, Hielscher ултразвучни процесори су поуздани и захтевају само мало одржавања.
Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: