Biosyntetisk produktion av oligosackarider i bröstmjölk

Biosyntesen av oligosackarider i bröstmjölk (HMO) via fermentering eller enzymatiska reaktioner är en komplex, krävande och ofta lågavkastande process. Ultraljud ökar massöverföringen mellan substrat och cellfabriker och stimulerar celltillväxt och ämnesomsättning. Därmed intensifierar ultraljudsbehandling jäsning och biokemiska processer som resulterar i en accelererad och effektivare produktion av HMOs.

oligosackarider i bröstmjölk

Bröstmjölksoligosackarider (HMO), även kända som bröstmjölksglykaner, är sockermolekyler som ingår i gruppen oligosackarider. Framträdande exempel på HMO:er inkluderar 2'-fukosyllaktos (2′-FL), lakto-N-neotetraos (LNnT), 3'-galaktosyllaktos (3′-GL) och difukosyllaktos (DFL).
Medan mänsklig bröstmjölk består av mer än olika 150 HMO-strukturer, produceras för närvarande endast 2′-fukosyllaktos (2′-FL) och lakto-N-neotetraos (LNnT) på kommersiell nivå och används som näringstillsatser i modersmjölksersättning.
Oligosackarider i bröstmjölk (HMO) är kända för sin betydelse för barns näringsintag. Oligosackarider i bröstmjölk är en unik typ av näringsämnen som fungerar som prebiotika, anti-vidhäftande antimikrobiella medel och immunmodulatorer i spädbarnets tarm och bidrar väsentligt till hjärnans utveckling. HMO:er finns uteslutande i mänsklig bröstmjölk; Andra däggdjursmjölk (t.ex. ko, get, får, kamel osv.) har inte dessa specifika former av oligosackarider.
Oligosackarider i bröstmjölk är den tredje vanligaste fasta beståndsdelen i bröstmjölk, som kan förekomma antingen i upplöst, emulgerad eller suspenderad form i vatten. Laktos och fettsyror är de vanligaste fasta ämnena i bröstmjölk. HMO:er finns i en koncentration på 0,35–0,88 ounces (9,9–24,9 g)/L. Cirka 200 strukturellt olika humanmjölksoligosackarider är kända. Den dominanta oligosackariden hos 80 % av alla kvinnor är 2′-fukosyllaktos, som finns i bröstmjölk i en koncentration på cirka 2,5 g/l.
Eftersom HMO:er inte smälts bidrar de inte kalorimässigt till näringen. Eftersom de är osmältbara kolhydrater fungerar de som prebiotika och fermenteras selektivt av önskvärd tarmmikroflora, särskilt bifidobakterier.

Biosyntes av oligosackarider i bröstmjölk

Cellfabriker och enzymatiska / kemo-enzymatiska system är aktuella tekniker som används för syntes av HMO:er. För HMO-produktion i industriell skala är jäsning av mikrobiella cellfabriker, biokemisk syntes och olika enzymatiska reaktioner möjliga sätt att HMO-bioproduktion. På grund av ekonomiska skäl är biosyntes via mikrobiella cellfabriker för närvarande den enda tekniken som används på industriell produktionsnivå av HMO:er.

Fermentering av HMO:er med hjälp av mikrobiella cellfabriker

E.coli, Saccharomyces cerevisiae och Lactococcus lactis är vanliga cellfabriker som används för bioproduktion av biologiska molekyler som HMO. Fermentering är en biokemisk process som använder mikroorganismer för att omvandla ett substrat till riktade biologiska molekyler. Mikrobiella cellfabriker använder enkla sockerarter som substrat, som de omvandlar till HMO:er. Eftersom enkla sockerarter (t.ex. laktos) är ett rikligt förekommande och billigt substrat, håller detta biosyntesprocessen kostnadseffektiv.
Tillväxt och bioomvandlingshastighet påverkas huvudsakligen av massöverföringen av näringsämnen (substrat) till mikroorganismerna. Massöverföringshastigheten är en huvudfaktor som påverkar produktsyntesen under jäsningen. Ultraljud är välkänt för att främja massöverföring.
Under fermenteringen måste förhållandena i bioreaktorn ständigt övervakas och regleras så att cellerna kan växa så snabbt som möjligt för att sedan producera de riktade biomolekylerna (t.ex. oligosackarider som HMO, insulin, rekombinanta proteiner). Teoretiskt sett börjar produktbildningen så snart cellkulturen börjar växa. Men särskilt i genetiskt modifierade celler, såsom konstruerade mikroorganismer, induceras det vanligtvis senare genom att tillsätta ett kemiskt ämne till substratet, vilket uppreglerar uttrycket av den riktade biomolekylen. Ultraljudsbioreaktorer (sono-bioreaktor) kan kontrolleras exakt och möjliggöra specifik stimulering av mikrober. Detta resulterar i en accelererad biosyntes och högre avkastning.
Ultraljudslys och extraktion: Jäsning av komplexa HMO:er kan begränsas av låga jäsningstitrar och produkter som förblir intracellulära. Ultraljudslys och extraktion används för att frigöra intracellulärt material före rening och nedströmsprocesser.

Ultraljudsfrämjad jäsning

Tillväxthastigheten för mikrober som Escherichia coli, konstruerad E.coli, Saccharomyces cerevisiae och Lactococcus lactis kan påskyndas genom att öka massöverföringshastigheten och cellväggens permeabilitet genom att tillämpa kontrollerad lågfrekvent ultraljud. Som en mild, icke-termisk bearbetningsteknik, tillämpar ultraljud rent mekaniska krafter i jäsningsbuljongen.
Akustisk kavitation: Arbetsprincipen för ultraljudsbehandling är baserad på akustisk kavitation. Ultraljudssonden (sonotrode) kopplar lågfrekventa ultraljudsvågor in i mediet. Ultraljudsvågorna färdas genom vätskan och skapar omväxlande cykler med högt tryck (kompression) och lågt tryck (sällsynthet). Genom att komprimera och sträcka vätskan i alternerande cykler uppstår små vakuumbubblor. Dessa små vakuumbubblor växer under flera cykler tills de når en storlek där de inte kan absorbera någon ytterligare energi. Vid denna punkt av maximal tillväxt imploderar vakuumbubblan våldsamt och genererar lokalt extrema förhållanden, känt som fenomenet kavitation. I den kavitationella "hot-spot" kan höga tryck- och temperaturskillnader och intensiva skjuvkrafter med vätskestrålar på upp till 280 m/sek observeras. Genom dessa kavitationella effekter uppnås grundlig massöverföring och sonoporation (perforering av cellväggar och cellmembran). Substratets näringsämnen flyter till och in i de levande hela cellerna, så att cellfabrikerna får optimal näring och tillväxt såväl som omvandlingshastigheter påskyndas. Ultraljud bioreaktorer är en enkel, men ändå mycket effektiv strategi för att bearbeta biomassa i en biosyntesprocess med en kruka.
En exakt kontrollerad, mild ultraljudsbehandling är välkänd för att intensifiera jäsningsprocesser.
Ultraljudsbehandling förbättrar "produktiviteten i många bioprocesser som involverar levande celler via förbättring av substratupptag, förbättrad produktion eller tillväxt genom att öka cellporositeten, och potentiellt förbättrad frisättning av cellkomponenter." (Naveena et al. 2015)
Läs mer om ultraljudsassisterad jäsning!

Naveena et al. (2015) fann att ultraljudsintensifiering erbjuder flera fördelar under bioprocesser, inklusive låga driftskostnader jämfört med andra förbättrande behandlingsalternativ, enkelhet i drift och blygsamma effektbehov.

Högpresterande ultraljudsjäsningsreaktorer

Fermenteringsprocesser involverar levande mikroorganismer som bakterier eller jäst, som fungerar som cellfabriker. Medan ultraljudsbehandling tillämpas för att främja massöverföring och öka mikroorganismens tillväxt och omvandlingshastighet, är det avgörande att kontrollera ultraljudsintensiteten exakt för att undvika förstörelse av cellfabrikerna.
Hielscher Ultrasonics är specialist på att designa, tillverka och distribuera högpresterande ultraljudsapparater, som kan kontrolleras och övervakas exakt för att säkerställa överlägsen jäsning.

Processtyrning är inte bara viktigt för hög avkastning och överlägsen kvalitet, utan gör det också möjligt att upprepa och reproducera resultat. Speciellt när det gäller stimulering av cellfabriker, är den cellspecifika anpassningen av ultraljudsbehandlingsparametrarna avgörande för att uppnå höga utbyten och för att förhindra cellnedbrytning. Därför är alla digitala modeller av Hielscher ultraljudsapparater utrustade med intelligent programvara, som gör att du kan justera, övervaka och revidera ultraljudsbehandlingsparametrar. Ultraljud processparametrar såsom amplitud, temperatur, tryck, ultraljudsbehandling varaktighet, arbetscykler, och energitillförsel är viktiga för att främja HMO produktion via jäsning.
Den smarta programvaran för Hielscher ultraljudsapparater registrerar automatiskt alla viktiga processparametrar på det integrerade SD-kortet. Den automatiska dataregistreringen av ultraljudsbehandlingsprocessen är grunden för processstandardisering och reproducerbarhet / repeterbarhet, som krävs för god tillverkningspraxis (GMP).

Ultraljudslikriktorer för jäsning

Hielscher erbjuder ultraljudssonder av olika storlek, längd och geometrier, som kan användas för batch- såväl som kontinuerliga genomströmningsbehandlingar. Ultraljudsreaktorer, även kända som sono-bioreaktorer, är tillgängliga för alla volymer som täcker ultraljudsbioprocessen från små laboratorieprover till pilot- och helt kommersiell produktionsnivå.
Det är välkänt att placeringen av ultraljudssonotroden i reaktionskärlet påverkar fördelningen av kavitation och mikroströmning i mediet. Sonotrode och ultraljudsreaktor bör väljas i enlighet med bearbetningsvolymen för cellbuljongen. Medan ultraljudsbehandling kan utföras i batch såväl som i kontinuerligt läge, för höga produktionsvolymer rekommenderas användning av en kontinuerlig flödesinstallation. Passerar genom en ultraljudsflödescell, får alla cellmedier exakt samma exponering för ultraljudsbehandling vilket säkerställer den mest effektiva behandlingen. Hielscher Ultrasonics breda utbud av ultraljudssonder och flödescellsreaktorer gör det möjligt att montera den perfekta ultraljudsbioprocessuppställningen.

Hielscher Ultrasonics – Från labb till pilot till produktion

Hielscher Ultrasonics täcker hela spektrumet av ultraljudsutrustning och erbjuder kompakta handhållna ultraljudshomogenisatorer för provberedning till bänk- och pilotsystem samt kraftfulla industriella ultraljudsenheter som enkelt bearbetar lastbilslaster per timme. Att vara mångsidig och flexibel i installations- och monteringsalternativ, Hielscher ultraljudsapparater kan enkelt integreras i alla typer av batchreaktorer, fed-batcher eller kontinuerliga genomströmningsinställningar.
Olika tillbehör samt anpassade delar möjliggör den perfekta anpassningen av din ultraljudsinstallation till dina processkrav.
Hielscher ultraljudsprocessorer är byggda för 24/7 drift under full belastning och tunga under krävande förhållanden och är pålitliga och kräver endast lite underhåll.
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: