Біосинтетичне виробництво олігосахаридів жіночого молока

Біосинтез олігосахаридів людського молока (HMO) шляхом ферментації або ферментативних реакцій є складним, споживаючим і часто малопродуктивним процесом. Ультразвук збільшує перенесення маси між субстратом і клітинними фабриками і стимулює ріст клітин і метаболізм. Таким чином, ультразвук інтенсифікує ферментаційні та біохімічні процеси, що призводить до прискореного та ефективнішого виробництва ГМО.

олігосахариди жіночого молока

Олігосахариди людського молока (HMO), також відомі як глікани людського молока, є молекулами цукру, які входять до групи олігосахаридів. Яскравими прикладами ГМО є 2'-фукозиллактоза (2′-FL), лакто-N-неотетраоза (LNnT), 3'-галактозиллактоза (3′-GL) і дифукозиллактози (ДФЛ).
У той час як людське грудне молоко складається з більш ніж 150 різних структур HMO, в даний час на комерційному рівні виробляються тільки 2'-фукозиллактоза (2'-FL) і лакто-N-неотетраоза (LNnT) і використовуються як харчові добавки в дитячих сумішах.
Олігосахариди людського молока (HMO) відомі своїм значенням у харчуванні дітей. Олігосахариди людського молока є унікальним типом поживних речовин, які діють як пребіотики, антиадгезивні антимікробні засоби та імуномодулятори в кишечнику немовляти та значною мірою сприяють розвитку мозку. ГМО містяться виключно в грудному молоці людини; Молоко інших ссавців (наприклад, коров'ячого, козячого, овечого, верблюжого тощо) не має цих специфічних форм олігосахаридів.
Олігосахариди людського молока є третім за поширеністю твердим компонентом у жіночому молоці, який може бути присутнім у воді як у розчиненому, так і в емульгованому або зваженому вигляді. Лактоза та жирні кислоти є найпоширенішими твердими речовинами, що містяться в жіночому молоці. HMO присутні в концентрації 0,35–0,88 унції (9,9–24,9 г)/л. Відомо приблизно 200 структурно різних олігосахаридів людського молока. Домінуючим олігосахаридом у 80% всіх жінок є 2′-фукозиллактоза, яка присутня в грудному молоці людини в концентрації приблизно 2,5 г/ л.
Оскільки ГМО не перетравлюються, вони не сприяють харчуванню калорійно. Будучи неперетравлюваними вуглеводами, вони діють як пребіотики і вибірково ферментуються бажаною мікрофлорою кишечника, особливо біфідобактеріями.

Біосинтез олігосахаридів жіночого молока

Клітинні фабрики та ферментативні / хіміоферментативні системи – це сучасні технології, які використовуються для синтезу ГМО. Для виробництва HMO в промислових масштабах ферментація фабрик мікробних клітин, біохімічний синтез і різні ферментативні реакції є можливими способами біовиробництва HMO. У зв'язку з економічними причинами, біосинтез за допомогою фабрик мікробних клітин в даний час є єдиною методикою, яка використовується на рівні промислового виробництва ГМО.

Ферментація ГМО за допомогою фабрик мікробних клітин

E.coli, Saccharomyces cerevisiae та Lactococcus lactis є широко використовуваними клітинними фабриками, які використовуються для біовиробництва біологічних молекул, таких як HMO. Ферментація – це біохімічний процес з використанням мікроорганізмів для перетворення субстрату в цільові біологічні молекули. Фабрики мікробних клітин використовують прості цукри як субстрат, які вони перетворюють на HMO. Оскільки прості цукри (наприклад, лактоза) є багатим дешевим субстратом, це забезпечує економічну ефективність процесу біосинтезу.
На ріст і швидкість біоконверсії в основному впливає масове перенесення поживних речовин (субстрату) до мікроорганізмів. Швидкість масообміну є основним фактором, що впливає на синтез продукту в процесі бродіння. Добре відомо, що ультразвук сприяє перенесенню маси.
Під час ферментації умови в біореакторі повинні постійно контролюватися і регулюватися, щоб клітини могли рости якомога швидше, щоб потім виробляти цільові біомолекули (наприклад, олігосахариди, такі як HMO; інсулін; рекомбінантні білки). Теоретично утворення продукту починається відразу, як тільки починає рости культура клітин. Однак, особливо в генетично модифікованих клітинах, таких як інженерні мікроорганізми, він зазвичай індукується пізніше шляхом додавання хімічної речовини до субстрату, яка підвищує експресію цільової біомолекули. Ультразвукові біореактори (соно-біореактори) можуть бути точно керовані і дозволяють проводити специфічну стимуляцію мікробів. Це призводить до прискореного біосинтезу і більш високих врожаїв.
Ультразвуковий лізис та екстракція: ферментація складних ГМО може бути обмежена низькими титрами ферментації та продуктами, що залишаються внутрішньоклітинними. Ультразвуковий лізис та екстракція використовується для вивільнення внутрішньоклітинного матеріалу перед очищенням та подальшими процесами.

Ферментація за допомогою ультразвуку

Швидкість росту таких мікробів, як Escherichia coli, інженерна E.coli, Saccharomyces cerevisiae та Lactococcus lactis, може бути прискорена шляхом збільшення швидкості масопереносу та проникності клітинної стінки шляхом застосування контрольованого низькочастотного ультразвуку. Як м'який, нетермічний метод обробки, ультразвук прикладає чисто механічні сили до бульйону для бродіння.
Акустична кавітація: Принцип роботи ультразвукового апарату заснований на акустичній кавітації. Ультразвуковий зонд (сонотроде) пов'язує низькочастотні ультразвукові хвилі з середовищем. Ультразвукові хвилі проходять через рідину, створюючи чергування циклів високого тиску (стиснення) / низького тиску (розрідження). При стисненні і розтягуванні рідини в циклах, що чергуються, виникають хвилинні вакуумні бульбашки. Ці маленькі вакуумні бульбашки ростуть протягом декількох циклів, поки не досягнуть розміру, коли вони не можуть поглинути подальшу енергію. У цій точці максимального зростання вакуумна бульбашка сильно вибухає і створює локально екстремальні умови, відомі як явище кавітації. У кавітаційній «гарячій точці» можуть спостерігатися високі перепади тиску і температури, а також інтенсивні сили зсуву зі струменями рідини до 280 м/сек. За допомогою цих кавітаційних ефектів досягається ретельне масоперенос і сонопорація (перфорація клітинних стінок і клітинних мембран). Поживні речовини субстрату доставляються до живих цілих клітин і вводяться в них, завдяки чому фабрики клітин оптимально живляться, а ріст і швидкість перетворення прискорюються. Ультразвукові біореактори – це проста, але дуже ефективна стратегія переробки біомаси в процесі біосинтезу в одному горщику.
Добре відомо, що точно контрольована, легка ультразвукова діагностика інтенсифікує процеси бродіння.
Ультразвукова хвороба покращує «продуктивність багатьох біопроцесів за участю живих клітин шляхом посилення поглинання субстрату, посиленого виробництва або росту за рахунок збільшення пористості клітин і потенційно посиленого вивільнення клітинних компонентів». (Naveena та ін., 2015)
Дізнайтеся більше про ферментацію за допомогою ультразвуку!

Naveena et al. (2015) виявили, що ультразвукова інтенсифікація дає кілька переваг під час біообробки, включаючи низькі експлуатаційні витрати порівняно з іншими варіантами покращення, простоту роботи та скромні вимоги до потужності.

Високопродуктивні ультразвукові реактори бродіння

У процесах бродіння беруть участь живі мікроорганізми, такі як бактерії або дріжджі, які функціонують як фабрики клітин. Незважаючи на те, що ультразвук застосовується для сприяння масопереносу та збільшення росту та швидкості перетворення мікроорганізмів, дуже важливо точно контролювати інтенсивність ультразвуку, щоб уникнути руйнування клітинних фабрик.
Hielscher Ultrasonics спеціалізується на розробці, виробництві та розповсюдженні високопродуктивних ультразвукових засобів, які можна точно контролювати та контролювати для забезпечення чудових виходів ферментації.

Контроль процесу не тільки необхідний для отримання високих врожаїв і високої якості, але й дозволяє повторювати та відтворювати результати. Особливо, коли мова йде про стимуляцію клітинних фабрик, клітинно-специфічна адаптація параметрів ультразвуку має важливе значення для досягнення високих врожаїв і запобігання деградації клітин. Тому всі цифрові моделі ультразвукових апаратів Hielscher оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням, яке дозволяє регулювати, контролювати та переглядати параметри ультразвуку. Параметри ультразвукового процесу, такі як амплітуда, температура, тиск, тривалість ультразвуку, робочі цикли та споживання енергії, є важливими для сприяння виробництву HMO шляхом ферментації.
Інтелектуальне програмне забезпечення ультразвукових апаратів Hielscher автоматично записує всі важливі параметри процесу на вбудовану SD-карту. Автоматичний запис даних про процес ультразвукового випромінювання є основою для стандартизації процесу та відтворюваності/повторюваності, які необхідні для належної виробничої практики (GMP).

Ультразвукові ректори для ферментації

Hielscher пропонує ультразвукові зонди різного розміру, довжини та геометрії, які можна використовувати як для періодичних, так і для безперервних проточних обробок. Ультразвукові реактори, також відомі як соно-біореактори, доступні для будь-якого обсягу, що охоплює ультразвукову біообробку від невеликих лабораторних зразків до пілотного та повністю комерційного рівня виробництва.
Добре відомо, що розташування ультразвукового сонотрода в реакційній судині впливає на розподіл кавітації і мікропотоків в середовищі. Сонотрод і ультразвуковий реактор слід вибирати відповідно до об'єму переробки клітинного бульйону. У той час як ультразвукова обробка може виконуватися як в серійному, так і в безперервному режимі, для великих обсягів виробництва рекомендується використовувати установку безперервного потоку. Проходячи через ультразвукову проточну камеру, все клітинне середовище отримує абсолютно однаковий вплив ультразвуку, що забезпечує найбільш ефективне лікування. Широкий асортимент ультразвукових зондів і реакторів з проточними елементами Hielscher Ultrasonics дозволяє зібрати ідеальну ультразвукову установку для біообробки.

Hielscher Ultrasonics – Від лабораторії до пілота та виробництва

Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукового обладнання, пропонуючи компактні ручні ультразвукові гомогенізатори для підготовки зразків до настільних і пілотних систем, а також потужні промислові ультразвукові установки, які легко обробляють вантажні автомобілі за годину. Будучи універсальними та гнучкими у варіантах встановлення та монтажу, ультразвукові пристрої Hielscher можуть бути легко інтегровані у всі види реакторів періодичної дії, серій з подачею або установок з безперервним потоком.
Різноманітні аксесуари, а також індивідуальні деталі дозволяють ідеально адаптувати вашу ультразвукову установку до вимог процесу.
Створені для роботи 24/7 при повному навантаженні та важких навантаженнях у складних умовах, ультразвукові процесори Hielscher є надійними та вимагають лише недостатнього обслуговування.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: