Desintegrering av celler med ultraljud

Ultraljudsbehandling är ett effektivt sätt att desintegrera cellstrukturer. Därför används sonikatorer i stor utsträckning på laboratorier för att bryta upp celler och extrahera intracellulära molekyler, proteiner och organeller för forskning och analys. I industriell skala används desintegrering och lys med ultraljud för att isolera molekyler från cellfabriker eller främja nedbrytningen av biomassa.

Vad är desintegrering med ultraljud?

Desintegrering med ultraljud, även kallad ultraljudshomogenisering, är en process som använder högintensiva, lågfrekventa ultraljudsvågor för att bryta ned cellväggar och sönderdela molekylära strukturer i ett flytande medium. Tekniken används ofta i olika vetenskapliga och industriella tillämpningar för flera ändamål:

Cellsönderdelning: Desintegrering med ultraljud används i stor utsträckning inom cellbiologi och molekylärbiologi för att bryta upp cellmembran och frigöra cellinnehåll såsom proteiner, nukleinsyror och organeller. Detta är användbart för att extrahera intracellulära komponenter för analys eller för att lysera celler i mikrobiologiska och biotekniska processer.

• Homogenisering: Det bidrar till en jämn blandning av komponenterna i ett prov, särskilt vid hantering av oblandbara vätskor eller när man försöker uppnå en enhetlig materialblandning.
• Proteinextraktion: Inom biologi, proteomik och livsvetenskap är analys av proteiner en mycket vanlig uppgift. Innan proteiner kan analyseras i analysförfaranden måste de extraheras från cellens inre och isoleras. Sonikatorer är den mest använda metoden för proteinextraktion.
• DNA-fragmentering: DNA och RNA är olika typer av nukleinsyror som lagrar och kodar genetisk information i celler. När DNA och RNA analyseras måste de långa strängarna ibland fragmenteras, vilket kan utföras tillförlitligt och effektivt genom ultraljudsbehandling.
• Provberedning: Inom forskning och analys är provberedning ett vanligt förfarande inför olika analystekniker. Desintegrering med ultraljud kan hjälpa till att lösa upp eller dispergera prover, vilket kan förbättra analysernas noggrannhet och reproducerbarhet.

Fördelar med desintegrering med ultraljud

Varför använda en sondsonikator för desintegrering, cellsönderdelning och extraktion av intracellulära molekyler och proteiner? En sonikator eller ultraljudsdisintegrator erbjuder många fördelar som gör ultraljudsbehandling till den överlägsna tekniken jämfört med andra desintegreringsmetoder såsom högtryckshomogenisering, kulmalning eller mikrofluidisering.

• Icke-termisk: Desintegrering med ultraljud är en icke-termisk metod, vilket innebär att den inte är beroende av värme för att bryta ned material. Detta är fördelaktigt i tillämpningar där höga temperaturer skulle kunna bryta ned värmekänsliga prover.
• Precis och kontrollerad: Processen kan styras med hög precision, vilket möjliggör specifik sönderdelning, blandning eller minskning av partikelstorleken.
• Snabb och effektiv: Ultraljudsbehandling är i allmänhet en snabb och effektiv metod, vilket gör den lämplig för tillämpningar med hög provgenomströmning.
• Minskad kemikalieanvändning: I många fall kan desintegrering med ultraljud minska behovet av aggressiva kemikalier eller organiska lösningsmedel, vilket kan vara miljövänligt och minska risken för kemisk kontaminering.
• Inga malmedier, inga munstycken: Alternativa desintegreringstekniker, såsom kul-/pärlmalning eller högtryckshomogenisatorer, har nackdelar. Kul-/pärlmalning kräver användning av malmedier (kulor eller pärlor), som måste separeras och rengöras med stor arbetsinsats. Högtryckshomogenisatorer har munstycken som lätt täpps igen. Ultraljudshomogenisatorer är däremot enkla att använda, mycket tillförlitliga och robusta och kräver mycket lite underhåll.
• Mångsidighet: Den kan användas på en mängd olika material, däribland bakterier, växtceller, däggdjursvävnad, alger, svampar med mera, vilket gör den till en mångsidig teknik inom olika områden.
  Skalbarhet: Ultraljudstekniken kan skalas upp för industriella processer, vilket gör den lämplig för både laboratorietillämpningar och storskalig produktion.

Funktionsprincipen för desintegrering och cellsönderdelning med ultraljud

Ultraljudsbehandling genererar växelvisa högtrycks- och lågtrycksvågor i den behandlade vätskan. Under lågtryckscykeln skapar ultraljudsvågorna små vakuumbubblor i vätskan som kollapsar våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Kavitationsbubblans implosion orsakar starka hydrodynamiska skjuvkrafter som först orsakar sonoporation och därefter effektiv sönderdelning av cellstrukturer. Intracellulära molekyler och organeller frigörs fullständigt i lösningsmedlet.

Desintegrering av cellstrukturer med ultraljud

Skjuvkrafterna kan desintegrera fibröst, cellulosahaltigt material till fina partiklar och bryta upp cellstrukturens väggar. Detta frigör mer av det intracellulära materialet, såsom stärkelse eller socker, i vätskan. Dessutom bryts cellväggsmaterialet ned till små fragment.

Denna effekt kan användas vid fermentering, nedbrytning och andra omvandlingsprocesser för organiskt material. Efter malning och finfördelning gör ultraljudsbehandling mer av det intracellulära materialet, till exempel stärkelse, samt cellväggsfragmenten tillgängliga för de enzymer som omvandlar stärkelse till sockerarter. Den ökar också den yta som exponeras för enzymerna under förvätskning eller försockring. Detta ökar vanligtvis hastigheten och utbytet vid jästfermentering och andra omvandlingsprocesser, till exempel för att öka etanolproduktionen från biomassa.

Använd desintegrering med ultraljud – tillförlitligt och effektivt i alla skalor

Hielscher-sonikatorer finns med olika märkeffekter och bearbetningskapaciteter. Oavsett om du vill ultraljudsbehandla små biologiska prover från några mikroliter till några liter eller behöver bearbeta stora cell- eller biomassaflöden för produktion, erbjuder Hielscher Ultrasonics den ultraljudsdisintegrator som är mest lämpad för din biologiska tillämpning.

• laboratorieskala för 1mL till cirka 5L, till exempel UP400St med 22mm sonotrod
• bänkskala vid cirka 0,1 till 20L/min, till exempel UIP1000hdT med 34mm sonotrod och flödescell
• produktionsskala från 20L/min, till exempel UIP4000hdT eller UIP16000hdT

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater i laboratoriestorlek:

Använd formuläret nedan om du vill ha mer information om användning av ultraljudsapparater för desintegrering av celler. Vi hjälper dig gärna.

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra industriella ultraljudsapparater:

Litteratur / Referenser

• 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.