Phân rã tế bào bằng siêu âm

Xử lý siêu âm là một phương pháp hiệu quả để phân rã các cấu trúc tế bào. Vì vậy, máy siêu âm được sử dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm để phá vỡ tế bào, chiết xuất các phân tử nội bào, protein và bào quan phục vụ nghiên cứu và phân tích. Ở quy mô công nghiệp, quá trình phân rã và ly giải bằng siêu âm được sử dụng để phân lập các phân tử từ các nhà máy tế bào hoặc thúc đẩy quá trình phân hủy sinh khối.

Phân rã bằng siêu âm là gì?

Phân rã bằng siêu âm, còn được gọi là đồng nhất hóa bằng siêu âm, là quá trình sử dụng sóng siêu âm cường độ cao, tần số thấp để phá vỡ thành tế bào và các cấu trúc phân tử trong môi trường lỏng. Kỹ thuật này thường được sử dụng trong nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp với các mục đích sau:

Phá vỡ tế bào: Phân rã bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong sinh học tế bào và sinh học phân tử để phá vỡ màng tế bào, giải phóng các thành phần bên trong tế bào như protein, axit nucleic và bào quan. Điều này hữu ích cho việc chiết xuất các thành phần nội bào để phân tích hoặc ly giải tế bào trong các quy trình vi sinh học và công nghệ sinh học.

• Đồng nhất hóa: Phương pháp này giúp trộn đều các thành phần trong mẫu, đặc biệt khi xử lý các chất lỏng không hòa lẫn hoặc khi cần tạo ra hỗn hợp vật liệu đồng đều.
• Chiết xuất protein: Trong sinh học và ngành khoa học sự sống nghiên cứu hệ protein, phân tích protein là một công việc rất phổ biến. Trước khi có thể phân tích protein trong các phép thử, cần chiết xuất chúng từ bên trong tế bào và phân lập. Sử dụng máy siêu âm là phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất để chiết xuất protein.
• Phân mảnh DNA: DNA và RNA là các loại axit nucleic khác nhau có chức năng lưu trữ và mã hóa thông tin di truyền trong tế bào. Khi phân tích DNA và RNA, đôi khi cần phân mảnh các chuỗi dài; quá trình này có thể được thực hiện đáng tin cậy và hiệu quả bằng xử lý siêu âm.
• Chuẩn bị mẫu: Trong nghiên cứu và phân tích, chuẩn bị mẫu là một quy trình phổ biến trước khi thực hiện các kỹ thuật phân tích khác nhau. Phân rã bằng siêu âm có thể giúp hòa tan hoặc phân tán mẫu, qua đó có thể cải thiện độ chính xác và khả năng tái lập của các phép phân tích.

Ưu điểm của phân rã bằng siêu âm

Tại sao nên sử dụng máy siêu âm dạng đầu dò để phân rã, phá vỡ tế bào và chiết xuất các phân tử nội bào cùng protein? Máy siêu âm hay máy phá vỡ tế bào bằng siêu âm mang lại nhiều ưu điểm, khiến xử lý siêu âm trở thành công nghệ vượt trội so với các phương pháp phân rã khác như đồng nhất hóa áp suất cao, nghiền bi hoặc vi lưu hóa.

• Không dùng nhiệt: Phân rã bằng siêu âm là phương pháp không dùng nhiệt, nghĩa là không dựa vào nhiệt để phá vỡ vật liệu. Điều này có lợi cho các ứng dụng mà nhiệt độ cao có thể làm phân hủy các mẫu nhạy nhiệt.
• Chính xác và có thể kiểm soát: Quá trình có thể được kiểm soát với độ chính xác cao, cho phép phá vỡ, trộn hoặc giảm kích thước hạt theo yêu cầu cụ thể.
• Nhanh chóng và hiệu quả: Xử lý siêu âm nhìn chung là phương pháp nhanh chóng và hiệu quả, phù hợp với các ứng dụng cần xử lý số lượng mẫu lớn.
• Giảm sử dụng hóa chất: Trong nhiều trường hợp, phân rã bằng siêu âm có thể giảm nhu cầu sử dụng hóa chất mạnh hoặc dung môi hữu cơ, qua đó có thể thân thiện với môi trường và giảm nguy cơ nhiễm hóa chất.
• Không cần vật liệu nghiền, không cần vòi phun: Các kỹ thuật phân rã thay thế như nghiền bi/hạt hoặc máy đồng nhất hóa áp suất cao đều có những nhược điểm. Nghiền bi/hạt đòi hỏi phải sử dụng vật liệu nghiền (hạt hoặc bi), vốn cần được tách và làm sạch rất tốn công. Máy đồng nhất hóa áp suất cao có các vòi phun dễ bị tắc. Ngược lại, máy đồng nhất hóa siêu âm dễ sử dụng, có độ tin cậy cao, bền bỉ và cần rất ít bảo trì.
• Tính đa dụng: Phương pháp này có thể áp dụng cho nhiều loại vật liệu, bao gồm vi khuẩn, tế bào thực vật, mô động vật có vú, tảo, nấm, v.v., khiến đây trở thành một kỹ thuật đa dụng trong nhiều lĩnh vực.
  Khả năng mở rộng quy mô: Kỹ thuật siêu âm có thể được mở rộng quy mô cho các quy trình công nghiệp, phù hợp với cả ứng dụng trong phòng thí nghiệm lẫn sản xuất quy mô lớn.

Nguyên lý hoạt động của quá trình phân rã và phá vỡ tế bào bằng siêu âm

Xử lý siêu âm tạo ra các sóng áp suất cao và áp suất thấp luân phiên trong chất lỏng chịu tác động. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm tạo ra các bọt chân không nhỏ trong chất lỏng, sau đó các bọt này sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Sự sụp đổ của bọt xâm thực tạo ra các lực cắt thủy động mạnh, trước tiên gây tạo lỗ trên màng tế bào bằng siêu âm, sau đó phá vỡ hiệu quả các cấu trúc tế bào. Các phân tử nội bào và bào quan được giải phóng hoàn toàn vào dung môi.

Phân rã các cấu trúc tế bào bằng siêu âm

Các lực cắt có thể phân rã vật liệu dạng sợi, chứa cellulose thành các hạt mịn và phá vỡ thành của cấu trúc tế bào. Điều này giải phóng thêm vật chất nội bào, chẳng hạn như tinh bột hoặc đường, vào chất lỏng. Ngoài ra, vật liệu thành tế bào cũng bị phá vỡ thành các mảnh vụn nhỏ.

Hiệu ứng này có thể được sử dụng cho quá trình lên men, phân hủy và các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ khác. Sau khi nghiền và xay, xử lý siêu âm giúp các enzyme chuyển hóa tinh bột thành đường tiếp cận được nhiều vật chất nội bào hơn, chẳng hạn như tinh bột, cũng như các mảnh vụn thành tế bào. Phương pháp này còn làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với enzyme trong quá trình dịch hóa hoặc đường hóa. Điều này thường làm tăng tốc độ và hiệu suất lên men nấm men cùng các quá trình chuyển hóa khác, chẳng hạn nhằm tăng sản lượng ethanol từ sinh khối.

Sử dụng phân rã bằng siêu âm – Đáng tin cậy và hiệu quả ở mọi quy mô

Máy siêu âm Hielscher có nhiều mức công suất và năng lực xử lý khác nhau. Dù bạn muốn xử lý siêu âm các mẫu sinh học nhỏ từ vài microlít đến vài lít hay cần xử lý các dòng tế bào hoặc sinh khối lớn phục vụ sản xuất, Hielscher Ultrasonics sẽ cung cấp cho bạn máy phá vỡ tế bào bằng siêu âm phù hợp nhất với ứng dụng sinh học của bạn.

• quy mô phòng thí nghiệm cho thể tích từ 1mL đến khoảng 5L, ví dụ: UP400St với đầu siêu âm 22mm
• quy mô để bàn với lưu lượng khoảng 0,1 đến 20L/min, ví dụ: UIP1000hdT với đầu siêu âm 34mm và buồng dòng chảy
• quy mô sản xuất bắt đầu từ 20L/min, ví dụ: UIP4000hdT hoặc UIP16000hdT

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm quy mô phòng thí nghiệm của chúng tôi:

Vui lòng sử dụng biểu mẫu bên dưới nếu bạn muốn nhận thêm thông tin về việc sử dụng thiết bị siêu âm để phân rã tế bào. Chúng tôi rất sẵn lòng hỗ trợ bạn.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm công nghiệp của chúng tôi:

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• Nico Böhmer, Andreas Dautel, Thomas Eisele, Lutz Fischer (2012): Recombinant expression, purification and characterisation of the native glutamate racemase from Lactobacillus plantarum NC8. Protein Expr Purif. 2013 Mar;88(1):54-60.
• Brandy Verhalen, Stefan Ernst, Michael Börsch, Stephan Wilkens (2012): Dynamic Ligand-induced Conformational Rearrangements in P-glycoprotein as Probed by Fluorescence Resonance Energy Transfer Spectroscopy. J Biol Chem. 2012 Jan 6;287(2): 1112-27.
• Claudia Lindemann, Nataliya Lupilova, Alexandra Müller, Bettina Warscheid, Helmut E. Meyer, Katja Kuhlmann, Martin Eisenacher, Lars I. Leichert (2013): Redox Proteomics Uncovers Peroxynitrite-Sensitive Proteins that Help Escherichia coli to Overcome Nitrosative Stress. J Biol Chem. 2013 Jul 5; 288(27): 19698–19714.
• Elahe Motevaseli, Mahdieh Shirzad, Seyed Mohammad Akrami, Azam-Sadat Mousavi, Akbar Mirsalehian, Mohammad Hossein Modarressi (2013): Normal and tumour cervical cells respond differently to vaginal lactobacilli, independent of pH and lactate. ed Microbiol. 2013 Jul; 62(Pt 7):1065-1072.