สายพันธุ์แบคทีเรียชีวภาพเช่น. coli เช่นเดียวกับสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมดัดแปลงพันธุกรรมและชนิดเซลล์พืชใช้กันอย่างแพร่หลายในเทคโนโลยีชีวภาพเพื่อแสดงโมเลกุล เพื่อที่จะปล่อยโมเลกุลชีวภาพสังเคราะห์เหล่านี้จําเป็นต้องมีเทคนิคการหยุดชะงักของเซลล์ที่เชื่อถือได้ ultrasonication ประสิทธิภาพสูงเป็นวิธีที่พิสูจน์แล้วสําหรับการสลายเซลล์ที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ – ปรับขนาดเป็นปริมาณงานขนาดใหญ่ได้อย่างง่ายดาย Hielscher Ultrasonics นําเสนออุปกรณ์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการสลายเซลล์ที่มีประสิทธิภาพเพื่อผลิตโมเลกุลชีวภาพคุณภาพสูงจํานวนมาก

การสกัดโมเลกุลจากโรงงานเซลล์

สําหรับการผลิตโมเลกุลชีวภาพที่หลากหลายจุลินทรีย์วิศวกรรมต่างๆและเซลล์พืชสามารถใช้เป็นโรงงานเซลล์จุลินทรีย์รวมถึง Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana และสาหร่ายและอื่น ๆ อีกมากมาย โรงงานเซลล์เหล่านี้สามารถผลิตโปรตีนไขมันชีวเคมีโพลิเมอร์เชื้อเพลิงชีวภาพและ oleochemicals ซึ่งใช้เป็นอาหารหรือวัตถุดิบสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรม เซลล์ที่ใช้เป็นโรงงานเซลล์มีการเพาะเลี้ยงในเครื่องปฏิกรณ์ชีวภาพแบบปิดซึ่งพวกเขาสามารถบรรลุความต้องการที่มีประสิทธิภาพความจําเพาะและพลังงานต่ํา
ในการแยกโมเลกุลเป้าหมายออกจากการเพาะเลี้ยงเซลล์ bioengineered เซลล์จะต้องหยุดชะงักเพื่อให้วัสดุภายในเซลล์ถูกปล่อยออกมา เครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิกได้รับการจัดตั้งขึ้นอย่างดีเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพสูงสําหรับการสลายตัวของเซลล์และการปล่อยสารประกอบ

โรงงานเซลล์จุลินทรีย์เป็นเซลล์วิศวกรรมการเผาผลาญที่ใช้สําหรับการสังเคราะห์สารประกอบที่มีคุณค่าต่างๆ การหยุดชะงักของเซลล์อัลตราโซนิกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ในการปล่อยสารประกอบที่มีค่าจากภายในเซลล์
การศึกษาและกราฟิก: ©Villaverde, 2010

ข้อดีของเครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิก

ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีที่ไม่ใช่ความร้อนอ่อน แต่มีประสิทธิภาพสูง, เครื่องรบกวนอัลตราโซนิกถูกนํามาใช้ในห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรมเพื่อ lyse เซลล์และในการผลิตสารสกัดที่มีคุณภาพสูงเช่นที่ใช้สําหรับการแยกโมเลกุลจากโรงงานเซลล์

พลังงานอัลตราซาวนด์สําหรับการหยุดชะงักที่มีประสิทธิภาพของโรงงานเซลล์จุลินทรีย์

กลไกและผลกระทบของเครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิก:
การหยุดชะงักของเซลล์อัลตราโซนิกใช้พลังของคลื่นอัลตราซาวนด์ อัลตราโซนิก homogenizer / รบกวนเซลล์มีการติดตั้งโพรบ (หรือ sonotrode) ที่ทําจากโลหะผสมไทเทเนียมที่แกว่งที่ความถี่สูงประมาณ 20 kHz ซึ่งหมายความว่าโพรบอัลตราโซนิกคู่ 20,000 การสั่นสะเทือนต่อวินาทีเป็นของเหลว sonicated คลื่นอัลตราซาวนด์ควบคู่ไปกับของเหลวมีลักษณะสลับรอบแรงดันสูง / ความดันต่ํา ในระหว่างรอบความดันต่ําของเหลวจะขยายตัวและฟองสุญญากาศนาทีเกิดขึ้น ฟองอากาศขนาดเล็กมากเหล่านี้เติบโตผ่านรอบความดันสลับหลายรอบจนกว่าพวกเขาจะไม่สามารถดูดซับพลังงานเพิ่มเติมใด ๆ ณ จุดนี้ฟองอากาศโพรงอากาศจะระเบิดอย่างรุนแรงและสร้างสภาพแวดล้อมที่หนาแน่นของพลังงานที่ไม่ธรรมดาในท้องถิ่น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าโพรงอากาศอะคูสติกและโดดเด่นด้วยอุณหภูมิสูงมากในท้องถิ่นความดันสูงมากและแรงเฉือน แรงเฉือนเหล่านี้เน้นทําลายผนังเซลล์อย่างมีประสิทธิภาพและเพิ่มการถ่ายโอนมวลระหว่างภายในเซลล์และตัวทําละลายโดยรอบ เป็นเทคนิคทางกลอย่างหมดจดแรงเฉือนที่สร้างขึ้น ultrasonically ถูกนํามาใช้กันอย่างแพร่หลายและขั้นตอนที่แนะนําสําหรับการหยุดชะงักของเซลล์แบคทีเรียเช่นเดียวกับการแยกโปรตีน ในฐานะที่เป็นวิธีการหยุดชะงักของเซลล์ที่เรียบง่ายและรวดเร็ว sonication เหมาะสําหรับการแยกของปริมาณขนาดเล็กกลางและขนาดใหญ่ เครื่อง ultrasonicators ดิจิตอลของ Hielscher มีการติดตั้งเมนูที่ชัดเจนของการตั้งค่าสําหรับการควบคุม sonication ที่แม่นยํา ข้อมูล sonication ทั้งหมดจะถูกเก็บไว้ในการ์ด SD ในตัวโดยอัตโนมัติและสามารถเข้าถึงได้ง่าย ตัวเลือกที่ซับซ้อนของการกระจายความร้อนเช่นการระบายความร้อนภายนอก sonication ในโหมด puls ฯลฯ ในระหว่างกระบวนการสลายตัวอัลตราโซนิกให้แน่ใจว่าการบํารุงรักษาอุณหภูมิของกระบวนการในอุดมคติและดังนั้นจึงเหมือนเดิมของสารประกอบที่ไวต่อความร้อนสกัด

การวิจัยขีดเส้นใต้จุดแข็งของการหยุดชะงักของเซลล์อัลตราโซนิกและการสกัด

ศ. Chemat et al. (2017) กลับมาศึกษาต่อว่า "การสกัดด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประหยัดสําหรับเทคนิคทั่วไปสําหรับอาหารและผลิตภัณฑ์จากธรรมชาติ ประโยชน์หลักคือการลดลงของเวลาการสกัดและการประมวลผลปริมาณพลังงานและตัวทําละลายที่ใช้การดําเนินงานหน่วยและ CO₂ การปล่อยมลพิษ"
Gabig-Ciminska et al. (2014) ใช้ homogenizer แรงดันสูงและ dsintegrator เซลล์อัลตราโซนิกในการศึกษาของพวกเขาสําหรับการสลายของสปอร์เพื่อปล่อยดีเอ็นเอ เมื่อเปรียบเทียบวิธีการหยุดชะงักของเซลล์ทั้งสองทีมวิจัยสรุปว่าเกี่ยวกับการสลายเซลล์สําหรับดีเอ็นเอสปอร์ "การวิเคราะห์ได้ทําโดยใช้ไลเซตของเซลล์จากการทําให้เป็นเนื้อเดียวกันแรงดันสูง หลังจากนั้นเราตระหนักว่าการหยุดชะงักของเซลล์อัลตราโซนิกมีข้อได้เปรียบที่โดดเด่นสําหรับวัตถุประสงค์นี้ มันค่อนข้างเร็วและสามารถประมวลผลสําหรับปริมาณตัวอย่างขนาดเล็ก" (Gabig-Ciminska et al., 2014)

โมเลกุลชีวภาพจากโรงงานเซลล์เพื่อการผลิตอาหาร

โรงงานเซลล์จุลินทรีย์เป็นวิธีการผลิตที่มีศักยภาพและมีประสิทธิภาพโดยใช้สิ่งมีชีวิตจุลินทรีย์ในการผลิตผลผลิตสูงของการเผาผลาญพื้นเมืองและไม่ใช่พื้นเมืองโดยการเผาผลาญชีวภาพของจุลินทรีย์จุลินทรีย์เช่นแบคทีเรียยีสต์เชื้อรา เป็นต้น เอนไซม์จํานวนมากเป็นเช่นที่ผลิตโดยใช้จุลินทรีย์ auch เป็น Aspergillus oryzae, เชื้อรา, และแบคทีเรีย. เอนไซม์จํานวนมากเหล่านั้นใช้สําหรับการผลิตอาหารและเครื่องดื่มเช่นเดียวกับในการเกษตรพลังงานชีวภาพและการดูแลครัวเรือน
แบคทีเรียบางชนิดเช่น Acetobacter xylinum และ Gluconacetobacter xylinus ผลิตเซลลูโลสในระหว่างกระบวนการหมักซึ่งนาโนไฟเบอร์จะถูกสังเคราะห์ในกระบวนการจากล่างขึ้นบน เซลลูโลสแบคทีเรีย (หรือที่เรียกว่าเซลลูโลสจุลินทรีย์) เทียบเท่าทางเคมีกับเซลลูโลสพืช แต่มีระดับสูงของผลึกและความบริสุทธิ์สูง (ปราศจากลิกนินเฮมิเซลลูโลสเพกตินและส่วนประกอบทางชีวภาพอื่น ๆ ) เช่นเดียวกับโครงสร้างที่เป็นเอกลักษณ์ของเครือข่ายสามมิติที่ทอเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์ทอสามมิติ (3D) reticulated (cf เลย จง, 2020) เมื่อเปรียบเทียบกับเซลลูโลสที่ได้จากพืชเซลลูโลสแบคทีเรียมีความยั่งยืนมากขึ้นและเซลลูโลสที่ผลิตนั้นบริสุทธิ์ไม่จําเป็นต้องมีขั้นตอนการทําให้บริสุทธิ์ที่ซับซ้อน การสกัดด้วยอัลตราโซนิกและตัวทําละลายโดยใช้ NaOH หรือ SDS (โซเดียมโดเดซิลซัลเฟต) มีประสิทธิภาพมากสําหรับการแยกเซลลูโลสของแบคทีเรียออกจากเซลล์แบคทีเรีย

โมเลกุลชีวภาพจากโรงงานเซลล์เพื่อการผลิตยาและวัคซีน

หนึ่งในผลิตภัณฑ์ยาที่โดดเด่นที่สุดที่ได้มาจากโรงงานเซลล์คืออินซูลินของมนุษย์ สําหรับการผลิตอินซูลินที่ผ่านการวิศวกรรมชีวภาพส่วนใหญ่จะใช้. coli และ Saccharomyces cerevisiae เนื่องจากโมเลกุลขนาดนาโนที่สังเคราะห์ทางชีวภาพมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูงอนุภาคนาโนชีวภาพเช่นเฟอร์ริตินจึงเป็นประโยชน์สําหรับการใช้งานในการผลิตทางชีวภาพจํานวนมาก นอกจากนี้การผลิตในจุลินทรีย์ที่ออกแบบโดยการเผาผลาญมักจะมีประสิทธิภาพมากขึ้นอย่างมีนัยสําคัญในผลผลิตที่ได้รับ ตัวอย่างเช่นการผลิตกรด artemisinic, resveratrol และไลโคปีนได้เพิ่มขึ้นสิบเท่าเป็นหลายร้อยเท่าและได้รับการจัดตั้งขึ้นแล้วหรืออยู่ในการพัฒนาเพื่อการผลิตในระดับอุตสาหกรรม (cf เลย หลิวเอตอัล; ไมโครบ์ ข้อเท็จจริงของเซลล์ 2017)
ตัวอย่างเช่นโมเลกุลชีวภาพขนาดนาโนที่ใช้โปรตีนที่มีคุณสมบัติประกอบเองเช่นเฟอร์ริตินและอนุภาคคล้ายไวรัสนั้นน่าสนใจอย่างยิ่งสําหรับการพัฒนาวัคซีนเนื่องจากเลียนแบบทั้งขนาดและโครงสร้างของเชื้อโรคและคล้อยตามการผันของแอนติเจนบนพื้นผิวเพื่อส่งเสริมการมีปฏิสัมพันธ์กับเซลล์ภูมิคุ้มกัน โมเลกุลดังกล่าวจะแสดงในโรงงานเซลล์ที่เรียกว่า (เช่นสายพันธุ์. coli วิศวกรรม) ซึ่งผลิตโมเลกุลเป้าหมายบางอย่าง

โปรโตคอลสําหรับการสลายอัลตราโซนิกและของ. coli BL21 สําหรับการปล่อยเฟอร์ริติน

เฟอร์ริตินเป็นโปรตีนซึ่งหน้าที่หลักคือการจัดเก็บเหล็ก เฟอร์ริตินแสดงความสามารถที่มีแนวโน้มเป็นอนุภาคนาโนประกอบตัวเองในวัคซีน, ซึ่งมันถูกใช้เป็นยานพาหนะการจัดส่งวัคซีน (เช่น SARS-Cov-2 โปรตีนแหลม). การวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของ Sun et al. (2016) แสดงให้เห็นว่าเฟอร์ริติน recombinant สามารถปล่อยออกมาเป็นรูปแบบที่ละลายน้ําได้จาก Escherichia coli ที่ความเข้มข้น NaCl ต่ํา (≤50 mmol / L) เพื่อแสดงเฟอร์ริตินใน. coli BL21 และปล่อยเฟอร์ตินโปรโตคอลต่อไปนี้ถูกนํามาใช้เรียบร้อยแล้ว พลาสมิด pET-28a/ferritin recombinant ถูกเปลี่ยนเป็นสายพันธุ์ coli BL21 (DE3) เซลล์ ferritin coli BL21 (DE3) ได้รับการเพาะเลี้ยงในสื่อการเจริญเติบโตของ LB ด้วยคานามัยซิน 0.5% ที่ 37 ° C และเหนี่ยวนําให้เกิดที่ OD600 ของ 0.6 กับ 0.4% isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside เป็นเวลา 3 ชั่วโมงที่ 37 ° C จากนั้นวัฒนธรรมสุดท้ายจะถูกเก็บเกี่ยวโดยการหมุนเหวี่ยงที่ 8000 กรัมเป็นเวลา 10 นาทีที่ 4 ° C และรวบรวมเม็ด จากนั้นเม็ดจะถูกนํากลับมาใช้ใหม่ในสื่อ LB (1% NaCl, 1% Typone, สารสกัดจากยีสต์ 0.5%)/บัฟเฟอร์สลาย (20 mmol/L Tris, 50 mmol/L NaCl, 1 mmol/L EDTA, pH 7.6) และความเข้มข้นที่แตกต่างกันของสารละลาย NaCl (0, 50, 100, 170 และ 300 mmol/L) ตามลําดับ สําหรับการสลายเซลล์แบคทีเรีย sonication ถูกนําไปใช้ในโหมดพัลส์: เช่นการใช้ เครื่องอัลตราโซนิก UP400St ที่แอมพลิจูด 100% ด้วยรอบการทํางาน 5 วินาที ON, 10 วินาที OFF, สําหรับ 40 รอบ) แล้วหมุนเหวี่ยงที่ 10 000g เป็นเวลา 15 นาทีที่ 4 ° C ซูเปอร์นาแตนท์และตกตะกอนได้รับการวิเคราะห์โดยโซเดียมโดเดซิลซัลเฟตโพลีอะคริลาไมด์เจลอิเล็กโทรโฟเรซิส (SDS-PAGE) เจลสีโซเดียมโดเดซิลซัลเฟตทั้งหมดถูกสแกนด้วยเครื่องสแกนความละเอียดสูง ภาพเจลได้รับการวิเคราะห์โดยใช้ซอฟต์แวร์ Magic Chemi 1D เพื่อความชัดเจนสูงสุดแถบโปรตีนถูกตรวจพบโดยการปรับพารามิเตอร์ ข้อมูลสําหรับวงดนตรีถูกสร้างขึ้นจาก triplicates ทางเทคนิค (cf เลย Sun et al., 2016)

เครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิกสําหรับการสลายอุตสาหกรรมของโรงงานเซลล์

การสลายอัลตราโซนิกและการสกัดเป็นวิธีที่น่าเชื่อถือและสะดวกสบายในการปล่อยสารเมตาบอไลต์จากโรงงานเซลล์จึงช่วยในการผลิตโมเลกุลเป้าหมายที่มีประสิทธิภาพ เครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิกสามารถใช้ได้จากห้องปฏิบัติการเพื่อขนาดอุตสาหกรรมและกระบวนการสามารถปรับขนาดเชิงเส้นได้อย่างสมบูรณ์
Hielscher Ultrasonics เป็นพันธมิตรที่มีความสามารถของคุณสําหรับเครื่องรบกวนอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงและมีประสบการณ์ยาวนานในด้านการปลูกฝังระบบอัลตราโซนิกในการตั้งค่าม้านั่งด้านบนและอุตสาหกรรม
เมื่อพูดถึงฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่ซับซ้อนระบบหยุดชะงักของเซลล์ Hielscher Ultrasonics เป็นไปตามข้อกําหนดทั้งหมดสําหรับการควบคุมกระบวนการที่เหมาะสมใช้งานง่ายและใช้งานง่าย ลูกค้าและผู้ใช้ของ Hielscher ultrasonicators ให้ความสําคัญกับประโยชน์ที่ Hielscher เครื่องรบกวนเซลล์อัลตราโซนิกและเครื่องสกัดช่วยให้การตรวจสอบและควบคุมกระบวนการที่แม่นยํา – ผ่านดิจิตอลสัมผัส- จอแสดงผลและเบราว์เซอร์การควบคุมระยะไกลของ ข้อมูล sonication ที่สําคัญทั้งหมด (เช่นพลังงานสุทธิพลังงานรวมแอมพลิจูดระยะเวลาอุณหภูมิความดัน) จะถูกเก็บไว้เป็นไฟล์ CSV บนการ์ด SD ในตัวโดยอัตโนมัติ สิ่งนี้ช่วยให้ได้ผลลัพธ์ที่ทําซ้ําได้และทําซ้ําได้และอํานวยความสะดวกในการสร้างมาตรฐานกระบวนการรวมถึงการปฏิบัติตามแนวทางปฏิบัติที่ดีในการผลิต (cGMP)
แน่นอนโปรเซสเซอร์อัลตราโซนิก Hielscher ถูกสร้างขึ้นสําหรับการดําเนินงาน 24/7 ภายใต้ภาระเต็มและสามารถดําเนินการได้อย่างน่าเชื่อถือในการตั้งค่าการผลิตอุตสาหกรรม เนื่องจากความทนทานสูงและการบํารุงรักษาต่ําการหยุดทํางานของอุปกรณ์อัลตราโซนิกต่ํามาก คุณสมบัติ CIP (สะอาดในสถานที่) และ SIP (ฆ่าเชื้อในสถานที่) ช่วยลดการทําความสะอาดที่ลําบากโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากชิ้นส่วนเปียกทั้งหมดเป็นพื้นผิวโลหะเรียบ (ไม่มีปากหรือหัวฉีดที่ซ่อนอยู่)

ตารางด้านล่างนี้จะช่วยให้คุณมีข้อบ่งชี้ของความจุในการประมวลผลโดยประมาณของ ultrasonicators ของเรา: