การผลิตโอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ด้วยการสังเคราะห์ทางชีวภาพ
การสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ (HMOs) ทางชีวภาพผ่านการหมักหรือปฏิกิริยาของเอนไซม์เป็นกระบวนการที่ซับซ้อน ใช้ทรัพยากร และมักให้ผลผลิตต่ำ การใช้อัลตราซาวนด์เพิ่มการถ่ายเทมวลระหว่างสารตั้งต้นกับเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต และกระตุ้นการเจริญเติบโตและเมแทบอลิซึมของเซลล์ ด้วยเหตุนี้ การใช้อัลตราซาวนด์จึงเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการหมักและกระบวนการทางชีวเคมี ส่งผลให้การผลิต HMOs รวดเร็วขึ้นและมีประสิทธิภาพมากขึ้น
โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์
โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ (HMOs) หรือที่เรียกว่าไกลแคนในน้ำนมมนุษย์ เป็นโมเลกุลน้ำตาลที่อยู่ในกลุ่มโอลิโกแซ็กคาไรด์ ตัวอย่างที่สำคัญของ HMOs ได้แก่ 2’-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3’-galactosyllactose (3′-GL) และ difucosyllactose (DFL)
แม้ว่าน้ำนมแม่ของมนุษย์จะประกอบด้วย HMO ที่มีโครงสร้างแตกต่างกันมากกว่า 150 แบบ แต่ปัจจุบันมีเพียง 2′-fucosyllactose (2′-FL) และ lacto-N-neotetraose (LNnT) เท่านั้นที่ผลิตในระดับเชิงพาณิชย์และใช้เป็นสารเติมแต่งทางโภชนาการในนมผงสำหรับทารก
โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ (HMOs) เป็นที่รู้จักว่ามีความสำคัญต่อโภชนาการของทารก โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์เป็นสารอาหารชนิดพิเศษที่ทำหน้าที่เป็นพรีไบโอติก สารต้านจุลชีพที่ยับยั้งการยึดเกาะ และสารปรับการทำงานของระบบภูมิคุ้มกันภายในลำไส้ของทารก อีกทั้งมีส่วนสำคัญอย่างมากต่อพัฒนาการของสมอง HMOs พบเฉพาะในน้ำนมแม่ของมนุษย์เท่านั้น น้ำนมของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมชนิดอื่น (เช่น วัว แพะ แกะ อูฐ เป็นต้น) ไม่มีโอลิโกแซ็กคาไรด์รูปแบบเฉพาะเหล่านี้
โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์เป็นองค์ประกอบของแข็งที่มีปริมาณมากเป็นอันดับสามในน้ำนมมนุษย์ ซึ่งอาจอยู่ในรูปที่ละลาย เป็นอิมัลชัน หรือแขวนลอยอยู่ในน้ำ แลคโตสและกรดไขมันเป็นของแข็งที่พบมากที่สุดในน้ำนมมนุษย์ HMOs มีความเข้มข้น 0.35–0.88 ออนซ์ (9.9–24.9 g)/ L มีโอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ที่มีโครงสร้างแตกต่างกันประมาณ 200 แบบที่เป็นที่รู้จัก โอลิโกแซ็กคาไรด์ชนิดหลักในผู้หญิงทั้งหมด 80% คือ 2′-fucosyllactose ซึ่งพบในน้ำนมแม่ของมนุษย์ที่ความเข้มข้นประมาณ 2.5 g/ L
เนื่องจาก HMOs ไม่ถูกย่อย จึงไม่ให้พลังงานในทางโภชนาการ ในฐานะคาร์โบไฮเดรตที่ย่อยไม่ได้ สารเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นพรีไบโอติกและถูกหมักอย่างจำเพาะโดยจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ในลำไส้ โดยเฉพาะบิฟิโดแบคทีเรีย
- ส่งเสริมพัฒนาการของทารก
- มีความสำคัญต่อพัฒนาการของสมอง
- มีฤทธิ์ต้านการอักเสบและ
- ยับยั้งการยึดเกาะในทางเดินอาหาร
- สนับสนุนระบบภูมิคุ้มกันในผู้ใหญ่
เครื่อง ประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ UIP2000hdT เพิ่มการถ่ายเทมวลและกระตุ้นการทำงานของเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต เพื่อเพิ่มผลผลิตของโมเลกุลชีวภาพที่สังเคราะห์ทางชีวภาพ เช่น HMOs
การสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ทางชีวภาพ
เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตและระบบเอนไซม์ / ระบบเคมีร่วมกับเอนไซม์เป็นเทคโนโลยีที่ใช้ในการสังเคราะห์ HMOs ในปัจจุบัน สำหรับการผลิต HMO ในระดับอุตสาหกรรม การหมักด้วยเซลล์จุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต การสังเคราะห์ทางชีวเคมี และปฏิกิริยาของเอนไซม์ชนิดต่าง ๆ เป็นแนวทางที่เป็นไปได้สำหรับการผลิต HMO ทางชีวภาพ ด้วยเหตุผลทางเศรษฐกิจ ปัจจุบันการสังเคราะห์ทางชีวภาพด้วยเซลล์จุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตเป็นเทคนิคเดียวที่ใช้ในการผลิต HMOs ในระดับอุตสาหกรรม
การหมักเพื่อผลิต HMOs โดยใช้เซลล์จุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต
E.coli, Saccharomyces cerevisiae และ Lactococcus lactis เป็นเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตโมเลกุลชีวภาพ เช่น HMOs การหมักเป็นกระบวนการทางชีวเคมีที่ใช้จุลินทรีย์เปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นโมเลกุลชีวภาพเป้าหมาย เซลล์จุลินทรีย์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตใช้น้ำตาลเชิงเดี่ยวเป็นสารตั้งต้นและเปลี่ยนให้เป็น HMOs เนื่องจากน้ำตาลเชิงเดี่ยว (เช่น แลคโตส) เป็นสารตั้งต้นที่มีอยู่มากและราคาถูก จึงช่วยให้กระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพมีความคุ้มค่าด้านต้นทุน
อัตราการเจริญเติบโตและอัตราการเปลี่ยนสารทางชีวภาพได้รับอิทธิพลหลักจากการถ่ายเทมวลของสารอาหาร (สารตั้งต้น) ไปยังจุลินทรีย์ อัตราการถ่ายเทมวลเป็นปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อการสังเคราะห์ผลิตภัณฑ์ระหว่างการหมัก การใช้อัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักกันดีว่าช่วยส่งเสริมการถ่ายเทมวล
ระหว่างการหมัก ต้องติดตามและควบคุมสภาวะในถังปฏิกรณ์ชีวภาพอย่างต่อเนื่อง เพื่อให้เซลล์เจริญเติบโตได้รวดเร็วที่สุดเท่าที่เป็นไปได้ แล้วจึงผลิตชีวโมเลกุลเป้าหมาย (เช่น โอลิโกแซ็กคาไรด์อย่าง HMOs; อินซูลิน; โปรตีนรีคอมบิแนนท์) ในทางทฤษฎี การเกิดผลิตภัณฑ์เริ่มขึ้นทันทีที่เซลล์เพาะเลี้ยงเริ่มเจริญเติบโต อย่างไรก็ตาม โดยเฉพาะในเซลล์ที่ดัดแปลงพันธุกรรม เช่น จุลินทรีย์ที่ผ่านการปรับแต่งทางวิศวกรรม โดยทั่วไปจะกระตุ้นการเกิดผลิตภัณฑ์ในภายหลังด้วยการเติมสารเคมีลงในสารตั้งต้น ซึ่งเพิ่มการแสดงออกของชีวโมเลกุลเป้าหมาย ถังปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราซาวนด์ (sono-bioreactor) สามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำและช่วยให้กระตุ้นจุลินทรีย์ได้อย่างจำเพาะ ส่งผลให้การสังเคราะห์ทางชีวภาพรวดเร็วขึ้นและให้ผลผลิตสูงขึ้น
การสลายเซลล์และการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์: การหมักเพื่อผลิต HMOs ที่ซับซ้อนอาจถูกจำกัดด้วยความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์จากการหมักที่ต่ำและการที่ผลิตภัณฑ์ยังคงอยู่ภายในเซลล์ การสลายเซลล์และการสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ใช้เพื่อปลดปล่อยสารภายในเซลล์ก่อนการทำให้บริสุทธิ์และกระบวนการปลายน้ำ
การหมักที่ส่งเสริมด้วยอัลตราซาวนด์
อัตราการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ เช่น Escherichia coli, E.coli ที่ผ่านการปรับแต่งทางวิศวกรรม, Saccharomyces cerevisiae และ Lactococcus lactis สามารถเร่งให้สูงขึ้นได้โดยเพิ่มอัตราการถ่ายเทมวลและความสามารถในการซึมผ่านของผนังเซลล์ด้วยการใช้อัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำที่มีการควบคุม ในฐานะเทคนิคการแปรรูปที่อ่อนโยนและไม่ใช้ความร้อน การใช้อัลตราซาวนด์ส่งแรงเชิงกลเพียงอย่างเดียวเข้าสู่น้ำหมัก
คาวิเทชันจากคลื่นเสียง: หลักการทำงานของการใช้อัลตราซาวนด์อาศัยคาวิเทชันจากคลื่นเสียง หัวโพรบอัลตราซาวนด์ (โซโนโทรด) ส่งผ่านคลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำเข้าสู่ตัวกลาง คลื่นอัลตราซาวนด์เคลื่อนผ่านของเหลว ทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัด) / ความดันต่ำ (การขยายตัว) สลับกัน การอัดและการยืดของเหลวเป็นวัฏจักรสลับกันทำให้เกิดฟองสุญญากาศขนาดเล็กมาก ฟองสุญญากาศขนาดเล็กเหล่านี้เติบโตตลอดหลายวัฏจักรจนมีขนาดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมได้อีก เมื่อเติบโตถึงจุดสูงสุดนี้ ฟองสุญญากาศจะยุบตัวเข้าด้านในอย่างรุนแรงและก่อให้เกิดสภาวะสุดขั้วเฉพาะจุด ซึ่งเรียกว่าปรากฏการณ์คาวิเทชัน ใน “จุดร้อน” ของคาวิเทชัน สามารถสังเกตพบความแตกต่างของความดันและอุณหภูมิสูง รวมถึงแรงเฉือนรุนแรงร่วมกับลำพุ่งของของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/sec ผลของคาวิเทชันเหล่านี้ทำให้เกิดการถ่ายเทมวลอย่างทั่วถึงและการสร้างรูด้วยคลื่นเสียง (การทำให้ผนังเซลล์และเยื่อหุ้มเซลล์เกิดรู) สารอาหารจากสารตั้งต้นถูกพาไปยังและเข้าสู่เซลล์ที่มีชีวิตและยังคงสภาพสมบูรณ์ ทำให้เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตได้รับสารอาหารอย่างเหมาะสมที่สุด และเร่งทั้งอัตราการเจริญเติบโตและอัตราการเปลี่ยนสาร ถังปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพสูงในการแปรรูปชีวมวลด้วยกระบวนการสังเคราะห์ทางชีวภาพในภาชนะเดียว
การใช้อัลตราซาวนด์อย่างอ่อนโยนและควบคุมอย่างแม่นยำเป็นที่รู้จักกันดีว่าช่วยเพิ่มความเข้มข้นของกระบวนการหมัก
การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเพิ่ม “ผลิตภาพของกระบวนการทางชีวภาพหลายชนิดที่เกี่ยวข้องกับเซลล์ที่มีชีวิต โดยเพิ่มการรับสารตั้งต้น เพิ่มการผลิตหรือการเจริญเติบโตด้วยการเพิ่มความพรุนของเซลล์ และอาจเพิ่มการปลดปล่อยองค์ประกอบของเซลล์” (Naveena et al. 2015)
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการหมักที่ใช้อัลตราซาวนด์ช่วย!
- ผลผลิตเพิ่มขึ้น
- การหมักรวดเร็วขึ้น
- การกระตุ้นที่จำเพาะต่อเซลล์
- การรับสารตั้งต้นเพิ่มขึ้น
- ความพรุนของเซลล์เพิ่มขึ้น
- ใช้งานง่าย
- ปลอดภัย
- ติดตั้งเพิ่มเติมเข้ากับระบบเดิมได้ง่าย
- การขยายขนาดแบบเชิงเส้น
- การแปรรูปแบบแบตช์หรือแบบอินไลน์
- คืนทุนรวดเร็ว
Naveena et al. (2015) พบว่าการเพิ่มความเข้มข้นด้วยอัลตราซาวนด์มีข้อดีหลายประการระหว่างการแปรรูปทางชีวภาพ ได้แก่ ต้นทุนการดำเนินงานต่ำเมื่อเทียบกับทางเลือกอื่นในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ การใช้งานที่เรียบง่าย และความต้องการกำลังไฟฟ้าที่ไม่สูง
MultiSonoReactor MSR-4 เป็นเครื่องโฮโมจีไนเซอร์แบบอินไลน์สำหรับอุตสาหกรรมที่เหมาะสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์ในน้ำนมมนุษย์ (HMO) ทางชีวภาพ
ถังปฏิกรณ์หมักอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง
กระบวนการหมักเกี่ยวข้องกับจุลินทรีย์ที่มีชีวิต เช่น แบคทีเรียหรือยีสต์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตของเซลล์ แม้จะใช้อัลตราซาวนด์เพื่อส่งเสริมการถ่ายเทมวลและเพิ่มอัตราการเจริญเติบโตและอัตราการเปลี่ยนสารของจุลินทรีย์ แต่การควบคุมความเข้มของอัลตราซาวนด์อย่างแม่นยำเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งเพื่อหลีกเลี่ยงการทำลายเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต
Hielscher Ultrasonics เป็นผู้เชี่ยวชาญด้านการออกแบบ การผลิต และการจัดจำหน่ายเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง ซึ่งสามารถควบคุมและติดตามได้อย่างแม่นยำเพื่อให้มั่นใจว่าการหมักให้ผลผลิตที่เหนือกว่า
การควบคุมกระบวนการไม่เพียงจำเป็นต่อการให้ผลผลิตสูงและคุณภาพที่เหนือกว่าเท่านั้น แต่ยังช่วยให้ทำซ้ำและสร้างผลลัพธ์เดิมขึ้นใหม่ได้ โดยเฉพาะเมื่อเป็นการกระตุ้นเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต การปรับพารามิเตอร์การใช้อัลตราซาวนด์ให้จำเพาะต่อเซลล์เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้ได้ผลผลิตสูงและป้องกันการเสื่อมสลายของเซลล์ ดังนั้น เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher รุ่นดิจิทัลทุกรุ่นจึงติดตั้งซอฟต์แวร์อัจฉริยะที่ช่วยให้คุณปรับ ติดตาม และแก้ไขพารามิเตอร์การใช้อัลตราซาวนด์ได้ พารามิเตอร์ของกระบวนการอัลตราซาวนด์ เช่น แอมพลิจูด อุณหภูมิ ความดัน ระยะเวลาการใช้อัลตราซาวนด์ รอบการทำงาน และพลังงานที่ป้อนเข้า เป็นสิ่งจำเป็นต่อการส่งเสริมการผลิต HMO ผ่านการหมัก
ซอฟต์แวร์อัจฉริยะของเครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher บันทึกพารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญทั้งหมดลงในการ์ด SD ที่ติดตั้งในเครื่องโดยอัตโนมัติ การบันทึกข้อมูลกระบวนการใช้อัลตราซาวนด์โดยอัตโนมัติเป็นพื้นฐานของการกำหนดมาตรฐานกระบวนการและความสามารถในการให้ผลซ้ำเมื่อเปลี่ยนเงื่อนไข / ความสามารถในการให้ผลซ้ำภายใต้เงื่อนไขเดิม ซึ่งเป็นข้อกำหนดของหลักเกณฑ์วิธีการที่ดีในการผลิต (GMP)
ถังปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับการหมัก
Hielscher มีหัวโพรบอัลตราซาวนด์หลายขนาด ความยาว และรูปทรง ซึ่งใช้ได้ทั้งกับการแปรรูปแบบแบตช์และแบบไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง ถังปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ หรือที่เรียกว่าถังปฏิกรณ์ชีวภาพอัลตราซาวนด์ มีให้เลือกสำหรับทุกปริมาตร ครอบคลุมการแปรรูปทางชีวภาพด้วยอัลตราซาวนด์ตั้งแต่ตัวอย่างขนาดเล็กในห้องปฏิบัติการไปจนถึงระดับนำร่องและการผลิตเชิงพาณิชย์เต็มรูปแบบ
เป็นที่รู้จักกันดีว่าตำแหน่งของโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ในภาชนะปฏิกิริยามีอิทธิพลต่อการกระจายตัวของคาวิเทชันและการไหลขนาดจุลภาคภายในตัวกลาง ควรเลือกโซโนโทรดและถังปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์ให้สอดคล้องกับปริมาตรน้ำเลี้ยงเซลล์ที่จะผ่านกระบวนการ แม้จะใช้อัลตราซาวนด์ได้ทั้งในโหมดแบตช์และโหมดต่อเนื่อง แต่สำหรับปริมาณการผลิตสูง แนะนำให้ใช้ระบบการไหลต่อเนื่อง เมื่อผ่านเซลล์การไหลอัลตราซาวนด์ อาหารเลี้ยงเซลล์ทั้งหมดจะได้รับอัลตราซาวนด์ในระดับเดียวกันอย่างแม่นยำ ทำให้มั่นใจได้ถึงการแปรรูปที่มีประสิทธิภาพสูงสุด หัวโพรบอัลตราซาวนด์และถังปฏิกรณ์เซลล์การไหลที่มีให้เลือกหลากหลายของ Hielscher Ultrasonics ช่วยให้ประกอบระบบการแปรรูปทางชีวภาพด้วยอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดได้
Hielscher Ultrasonics – จากห้องปฏิบัติการสู่ระดับนำร่องและการผลิต
Hielscher Ultrasonics ครอบคลุมอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ครบทุกประเภท ตั้งแต่เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์แบบมือถือขนาดกะทัดรัดสำหรับเตรียมตัวอย่าง ไปจนถึงระบบแบบตั้งโต๊ะและระบบระดับนำร่อง รวมถึงเครื่องอัลตราซาวนด์อุตสาหกรรมกำลังสูงที่แปรรูปวัสดุปริมาณหลายคันรถบรรทุกต่อชั่วโมงได้อย่างง่ายดาย ด้วยความอเนกประสงค์และความยืดหยุ่นของตัวเลือกในการติดตั้งและยึดอุปกรณ์ เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher จึงสามารถผสานเข้ากับถังปฏิกรณ์แบบแบตช์ทุกชนิด ระบบแบบแบตช์ที่มีการป้อนสารเพิ่ม หรือระบบไหลผ่านอย่างต่อเนื่องได้อย่างง่ายดาย
อุปกรณ์เสริมหลากหลายชนิดและชิ้นส่วนที่ปรับแต่งตามความต้องการช่วยให้ปรับระบบอัลตราซาวนด์ของคุณให้เหมาะสมที่สุดกับข้อกำหนดของกระบวนการได้
เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ Hielscher สร้างขึ้นเพื่อการทำงาน 24/7 ภายใต้ภาระเต็มกำลังและงานหนักในสภาวะที่มีข้อเรียกร้องสูง จึงมีความเชื่อถือได้และต้องการการบำรุงรักษาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น
ตารางด้านล่างแสดงให้คุณทราบถึงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:
| ปริมาตรแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่านี้ | กลุ่มเครื่อง UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์กำลังสูงตั้งแต่ระดับ ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงระดับ นำร่อง และระดับ อุตสาหกรรม .
วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง
- Muschiol, Jan; Meyer, Anne S. (2019): A chemo-enzymatic approach for the synthesis of human milk oligosaccharide backbone structures. Zeitschrift für Naturforschung C, Volume 74: Issue 3-4, 2019. 85-89.
- Birgitte Zeuner, David Teze, Jan Muschiol, Anne S. Meyer (2019): Synthesis of Human Milk Oligosaccharides: Protein Engineering Strategies for Improved Enzymatic Transglycosylation. Molecules 24, 2019.
- Yun Hee Choi, Bum Seok Park, Joo‐Hyun Seo, Byung‐Gee Ki (2019): Biosynthesis of the human milk oligosaccharide 3‐fucosyllactose in metabolically engineered Escherichia coli via the salvage pathway through increasing GTP synthesis and β‐galactosidase modification. Biotechnology and Bioengineering Volume 116, Issue 12. December 2019.
- Balakrishnan Naveena, Patricia Armshaw, J. Tony Pembroke (2015): Ultrasonic intensification as a tool for enhanced microbial biofuel yields. Biotechnology of Biofuels 8:140, 2015.
- Shweta Pawar, Virendra K. Rathod (2020): Role of ultrasound in assisted fermentation technologies for process enhancements. Preparative Biochemistry & Biotechnology 50(6), 2020. 1-8.
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
การสังเคราะห์ทางชีวภาพโดยใช้เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต
การใช้เซลล์จุลินทรีย์เป็นโรงงานผลิตเป็นวิธีการทางวิศวกรรมชีวภาพที่ใช้เซลล์จุลินทรีย์เป็นหน่วยผลิต การปรับแต่งจุลินทรีย์ด้วยพันธุวิศวกรรมเป็นการดัดแปลง DNA ของจุลินทรีย์ เช่น แบคทีเรีย ยีสต์ รา เซลล์สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม หรือสาหร่าย เพื่อเปลี่ยนจุลินทรีย์ให้เป็นเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิต เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตใช้เปลี่ยนสารตั้งต้นให้เป็นโมเลกุลชีวภาพที่มีคุณค่า ซึ่งนำไปใช้ เช่น ในการผลิตอาหาร เภสัชภัณฑ์ สารเคมี และเชื้อเพลิง กลยุทธ์ต่าง ๆ ของการสังเคราะห์ทางชีวภาพด้วยเซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตมุ่งเน้นการผลิตสารเมแทบอไลต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติ การแสดงออกของวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพจากสิ่งมีชีวิตต่างชนิด หรือการแสดงออกของโปรตีน
เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตสามารถใช้สังเคราะห์สารเมแทบอไลต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติ แสดงออกวิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพจากสิ่งมีชีวิตต่างชนิด หรือแสดงออกโปรตีนได้
การสังเคราะห์สารเมแทบอไลต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติทางชีวภาพ
สารเมแทบอไลต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติหมายถึงโมเลกุลชีวภาพที่เซลล์ซึ่งใช้เป็นโรงงานผลิตสร้างขึ้นตามธรรมชาติ เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตสร้างโมเลกุลชีวภาพเหล่านี้ภายในเซลล์หรือในรูปของสารที่หลั่งออกมา รูปแบบหลังเป็นที่ต้องการมากกว่า เพราะช่วยให้แยกและทำสารประกอบเป้าหมายให้บริสุทธิ์ได้ง่ายขึ้น ตัวอย่างของสารเมแทบอไลต์ที่มีอยู่ตามธรรมชาติ ได้แก่ กรดอะมิโนและกรดนิวคลีอิก ยาปฏิชีวนะ วิตามิน เอนไซม์ สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ และโปรตีนที่ผลิตจากวิถีแอแนบอลิซึมของเซลล์
วิถีการสังเคราะห์ทางชีวภาพจากสิ่งมีชีวิตต่างชนิด
เมื่อต้องการผลิตสารประกอบที่น่าสนใจ การตัดสินใจที่สำคัญที่สุดประการหนึ่งคือการเลือกระหว่างการผลิตในโฮสต์ดั้งเดิมและปรับโฮสต์นี้ให้เหมาะสมที่สุด กับการถ่ายโอนวิถีไปยังโฮสต์อื่นที่เป็นที่รู้จักดี หากสามารถปรับโฮสต์ดั้งเดิมให้เข้ากับกระบวนการหมักในอุตสาหกรรมได้ และการดำเนินการดังกล่าวไม่มีความเสี่ยงที่เกี่ยวข้องกับสุขภาพ (เช่น การผลิตผลพลอยได้ที่เป็นพิษ) แนวทางนี้อาจเป็นกลยุทธ์ที่เหมาะสมกว่า (เช่น ในกรณีของเพนิซิลลิน) อย่างไรก็ตาม ในหลายกรณีของปัจจุบัน ศักยภาพของการใช้เซลล์ที่ทำหน้าที่เป็นโรงงานผลิตซึ่งเป็นที่ต้องการในอุตสาหกรรมและกระบวนการแพลตฟอร์มที่เกี่ยวข้องมีน้ำหนักมากกว่าความยากในการถ่ายโอนวิถี
การแสดงออกของโปรตีน
การแสดงออกของโปรตีนสามารถทำได้ทั้งแบบโฮโมโลกัสและแบบเฮเทอโรโลกัส ในการแสดงออกแบบโฮโมโลกัส ยีนที่มีอยู่ตามธรรมชาติในสิ่งมีชีวิตจะถูกทำให้แสดงออกมากกว่าปกติ การแสดงออกมากกว่าปกตินี้ช่วยให้ผลิตโมเลกุลชีวภาพชนิดหนึ่งได้ในปริมาณที่สูงขึ้น สำหรับการแสดงออกแบบเฮเทอโรโลกัส ยีนจำเพาะจะถูกถ่ายโอนเข้าสู่เซลล์โฮสต์ที่ไม่มียีนดังกล่าวอยู่ตามธรรมชาติ โดยใช้วิศวกรรมเซลล์และเทคโนโลยี DNA รีคอมบิแนนท์ ยีนจะถูกแทรกเข้าไปใน DNA ของโฮสต์ เพื่อให้เซลล์โฮสต์ผลิตโปรตีนที่ตามธรรมชาติจะไม่ผลิตออกมาในปริมาณ (มาก) การแสดงออกของโปรตีนดำเนินการในโฮสต์หลากหลายชนิด ตั้งแต่แบคทีเรีย เช่น E. coli และ Bacillis subtilis ยีสต์ เช่น Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae ราเส้นใย เช่น A. niger และเซลล์ที่ได้จากสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เช่น สัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและแมลง โปรตีนนับไม่ถ้วนเป็นที่สนใจอย่างมากในเชิงพาณิชย์ ตั้งแต่เอนไซม์ที่ผลิตในปริมาณมาก ชีวเภสัชภัณฑ์ที่ซับซ้อน ไปจนถึงสารสำหรับการวินิจฉัยและสารเคมีสำหรับการวิจัย (เทียบกับ A.M. Davy et al. 2017)