Біосинтетичне вироблення олігосахаридів жіночого молока

Біосинтез олігосахаридів жіночого молока (HMO) за допомогою ферментації або ферментативних реакцій є складним, ресурсомістким і часто низьковихідним процесом. Ультразвукова обробка збільшує масоперенесення між субстратом і клітинними фабриками та стимулює ріст і метаболізм клітин. Таким чином, ультразвукова обробка інтенсифікує ферментацію та біохімічні процеси, що призводить до прискореного та ефективнішого виробництва HMO.

Олігосахариди жіночого молока

Олігосахариди жіночого молока (HMO), також відомі як глікани жіночого молока, є молекулами цукру, що входять до групи олігосахаридів. Видатними прикладами HMO є 2’-фукозиллактоза (2′-FL), лакто-N-неотетраоза (LNnT), 3’-галактозиллактоза (3′-GL) та дифукозиллактоза (DFL).
Хоча жіноче молоко складається з більш ніж 150 різних структур HMO, лише 2′-фукозиллактоза (2′-FL) та лакто-N-неотетраоза (LNnT) наразі виробляються на комерційному рівні та використовуються як харчові добавки в дитячих сумішах.
Олігосахариди жіночого молока (HMO) відомі своїм значенням у харчуванні немовлят. Олігосахариди жіночого молока є унікальним типом нутрієнтів, які діють як пребіотики, антиадгезивні антимікробні засоби та імуномодулятори в кишківнику немовляти та суттєво сприяють розвитку мозку. HMO зустрічаються виключно в жіночому молоці; молоко інших ссавців (наприклад, корів, кіз, вівць, верблюдів тощо) не містить цієї специфічної форми олігосахаридів.
Олігосахариди жіночого молока є третім за поширеністю твердим компонентом у жіночому молоці, який може бути присутній у розчиненому, емульгованому або суспендованому стані у воді. Лактоза та жирні кислоти є найбільш поширеними твердими речовинами, що містяться в жіночому молоці. HMO присутні в концентрації 0,35–0,88 унцій (9,9–24,9 g)/ L. Відомо приблизно 200 структурно різних олігосахаридів жіночого молока. Домінуючим олігосахаридом у 80% всіх жінок є 2′-фукозиллактоза, яка присутня в жіночому молоці в концентрації приблизно 2,5 g/ L.
Оскільки HMO не перетравлюються, вони не беруть калорійного внеску в харчування. Будучи неперетравними вуглеводами, вони функціонують як пребіотики та вибірково ферментуються бажаною мікрофлорою кишківника, особливо біфідобактеріями.

Біосинтез олігосахаридів жіночого молока

Клітинні фабрики та ферментативні / хемо-ферментативні системи є сучасними технологіями, що використовуються для синтезу HMO. Для виробництва HMO в промислових масштабах ферментація мікробних клітинних фабрик, біохімічний синтез та різні ферментативні реакції є здійсненими шляхами біовиробництва HMO. Через економічні причини біосинтез за допомогою мікробних клітинних фабрик наразі є єдиною технікою, що використовується на промисловому рівні виробництва HMO.

Ферментація HMO з використанням мікробних клітинних фабрик

E.coli, Saccharomyces cerevisiae та Lactococcus lactis є загальноприйнятими клітинними фабриками, що використовуються для біовиробництва біологічних молекул, таких як HMO. Ферментація – це біохімічний процес, що використовує мікроорганізми для перетворення субстрату на цільові біологічні молекули. Мікробні клітинні фабрики використовують прості цукри як субстрат, який вони перетворюють на HMO. Оскільки прості цукри (наприклад, лактоза) є abundant, дешевим субстратом, це робить процес біосинтезу економічно ефективним.
Швидкість росту та біоконверсії переважно залежить від масоперенесення поживних речовин (субстрату) до мікроорганізмів. Швидкість масоперенесення є основним фактором, що впливає на синтез продукту під час ферментації. Ультразвукова обробка добре відома своїм здатністю покращувати масоперенесення.
Під час ферментації умови в біореакторі повинні постійно моніторитися та регулюватися, щоб клітини могли рости якнайшвидше, щоб потім виробляти цільові біомолекули (наприклад, олігосахариди, такі як HMO; інсулін; рекомбінантні білки). Теоретично, утворення продукту починається щойно культура клітин починає рости. Однак, особливо в генетично модифікованих клітинах, таких як інженерні мікроорганізми, це зазвичай ініціюється пізніше шляхом додавання хімічної речовини до субстрату, що підвищує експресію цільової біомолекули. Ультразвукові біореактори (соно-біореактори) можуть бути точно контрольовані та дозволяють специфічну стимуляцію мікробів. Це призводить до прискореного біосинтезу та вищих виходів.
Ультразвукове руйнування та екстракція: Ферментація складних HMO може бути обмежена низькими титрами ферментації та продуктами, що залишаються внутрішньоклітинними. Ультразвукове руйнування та екстракція використовуються для вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу перед очищенням та наступними процесами.

Ультразвуково-сприяна ферментація

Швидкість росту мікробів, таких як Escherichia coli, інженерні E.coli, Saccharomyces cerevisiae та Lactococcus lactis, може бути прискорена шляхом збільшення швидкості масоперенесення та проникності клітинної стінки застосуванням контрольованої низькочастотної ультразвукової обробки. Як м’яка, нетермічна технологія обробки, ультразвукова обробка прикладає суто механічні сили у ферментаційний бульйон.
Акустична кавітація: Принцип дії ультразвукової обробки базується на акустичній кавітації. Ультразвуковий зонд (сонотрод) передає низькочастотні ультразвукові хвилі у середовище. Ультразвукові хвилі поширюються через рідину, створюючи чергування циклів високого тиску (стиснення) / низького тиску (розрідження). Стискаючи та розтягуючи рідину в чергувальних циклах, виникають крихітні вакуумні бульбашки. Ці малі вакуумні бульбашки ростуть протягом кількох циклів, доки не досягнуть розміру, при якому вони не можуть поглинати подальшу енергію. У цій точці максимального росту вакуумна бульбашка імплосує насильно та генерує локально екстремальні умови, відомі як явище кавітації. У кавітаційній «гарячій точці» спостерігаються високі перепади тиску та температури та інтенсивні зсувні сили з рідинними струменями до 280m/sec. Цими кавітаційними ефектами досягається ретельне масоперенесення та сонопорація (перфорація клітинних стінок та клітинних мембран). Поживні речовини субстрату переносяться до та всередину живих цілих клітин, так що клітинні фабрики оптимально живляться, а швидкість росту та конверсії прискорюються. Ультразвукові біореактори є простою, але надзвичайно ефективною стратегією для обробки біомаси в одностадійному процесі біосинтезу.
Точно контрольована, м’яка ультразвукова обробка добре відома як засіб інтенсифікації процесів ферментації.
Ультразвукова обробка покращує «продуктивність багатьох біопроцесів, що включають живі клітини, через покращення поглинання субстрату, підвищене виробництво або ріст шляхом збільшення пористості клітин, та потенційно підвищене вивільнення клітинних компонентів.» (Naveena et al. 2015)
Читайте більше про ферментацію, що допомагає ультразвуком!

Naveena et al. (2015) виявили, що ультразвукове інтенсифікування пропонує кілька переваг під час біопереробки, включаючи низькі експлуатаційні витрати порівняно з іншими варіантами покращення обробки, простоту експлуатації та помірні вимоги до потужності.

Високоефективні ультразвукові реактори для ферментації

Процеси ферментації включають живі мікроорганізми, такі як бактерії або дріжджі, які функціонують як клітинні фабрики. Хоча ультразвукова обробка застосовується для сприяння масопереносу та збільшення швидкості росту та конверсії мікроорганізмів, важливо точно контролювати інтенсивність ультразвуку, щоб уникнути руйнування клітинних фабрик.
Hielscher Ultrasonics є спеціалістом у розробці, виробництві та розповсюдженні високоефективних ультразвукових гомогенізаторів, які можна точно контролювати та моніторити для забезпечення найкращих результатів ферментації.

Контроль процесу є не лише важливим для високих виходів та найкращої якості, але й дозволяє повторювати та відтворювати результати. Особливо коли йдеться про стимулювання клітинних фабрик, адаптація параметрів ультразвукової обробки до специфіки клітин є важливою для досягнення високих виходів та запобігання деградації клітин. Тому всі цифрові моделі ультразвукових гомогенізаторів Hielscher обладнані інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє налаштовувати, моніторити та змінювати параметри ультразвукової обробки. Параметри ультразвукового процесу, такі як амплітуда, температура, тиск, тривалість ультразвукової обробки, робочі цикли та енерговитрати, є важливими для сприяння виробництву HMO шляхом ферментації.
Розумне програмне забезпечення ультразвукових гомогенізаторів Hielscher автоматично записує всі важливі параметри процесу на інтегровану SD-картку. Автоматичний запис даних процесу ультразвукової обробки є основою для стандартизації процесу та відтворюваності / повторюваності, які необхідні для належної виробничої практики (GMP).

Ультразвукові реактори для ферментації

Hielscher пропонує ультразвукові зонди різного розміру, довжини та геометрії, які можна використовувати для періодичної та безперервної проточної обробки. Ультразвукові реактори, також відомі як соно-біореактори, доступні для будь-якого об’єму, охоплюючи ультразвукову біопереробку від малих лабораторних зразків до пілотного та повністю комерційного рівня виробництва.
Відомо, що розташування ультразвукового сонотрода в реакційній посудині впливає на розподіл кавітації та мікроструменів у середовищі. Сонотрод і ультразвуковий реактор слід вибирати відповідно до об’єму обробки клітинного бульйону. Хоча ультразвукову обробку можна проводити в періодичному та безперервному режимах, для великих об’ємів виробництва рекомендується використання безперервної проточної установки. Проходячи через ультразвукову проточну комірку, все клітинне середовище отримує точно такий самий вплив ультразвукової обробки, що забезпечує найефективнішу обробку. Широкий асортимент ультразвукових зондів і проточних реакторів Hielscher Ultrasonics дозволяє зібрати ідеальну установку для ультразвукової біопереробки.

Hielscher Ultrasonics – від лабораторії до пілотного виробництва та промислового масштабу

Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукового обладнання, пропонуючи компактні ручні ультразвукові гомогенізатори для підготовки зразків, настільні та пілотні системи, а також потужні промислові ультразвукові установки, які легко обробляють за годину обсяги матеріалу, що вимірюються вантажівками. Завдяки універсальності та гнучкості варіантів встановлення й монтажу ультразвукові пристрої Hielscher можна легко інтегрувати в усі типи реакторів періодичної дії, систем напівперіодичної дії з підживленням або безперервних проточних установок.
Різноманітні аксесуари, а також деталі, виготовлені на замовлення, дають змогу ідеально адаптувати вашу ультразвукову установку до вимог вашого процесу.
Розраховані на роботу в режимі 24/7 під повним навантаженням та інтенсивну експлуатацію у складних умовах, ультразвукові процесори Hielscher є надійними й потребують лише мінімального технічного обслуговування.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових пристроїв: