Sản xuất sinh tổng hợp sữa mẹ Oligosacarit
Sinh tổng hợp oligosacarit sữa mẹ (HMO) thông qua quá trình lên men hoặc phản ứng enzyme là một quá trình phức tạp, tiêu thụ và thường năng suất thấp. Ultrasonication làm tăng chuyển khối lượng giữa các nhà máy chất nền và tế bào ans kích thích sự phát triển và trao đổi chất của tế bào. Qua đó, sonication tăng cường quá trình lên men và sinh hóa dẫn đến việc sản xuất HMO tăng tốc và hiệu quả hơn.
oligosacarit sữa mẹ
Oligosacarit sữa mẹ (HMOs), còn được gọi là glycans sữa mẹ, là các phân tử đường, là một phần của nhóm oligosacarit. Các ví dụ nổi bật của HMO bao gồm 2'-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3'-galactosyllactose (3′-GL), và difucosyllactose (DFL).
Trong khi sữa mẹ bao gồm hơn 150 cấu trúc HMO khác nhau, chỉ có 2′-fucosyllactose (2′-FL) và lacto-N-neotetraose (LNnT) hiện đang được sản xuất ở cấp độ thương mại và được sử dụng làm phụ gia dinh dưỡng trong sữa bột cho trẻ sơ sinh.
Oligosacarit sữa mẹ (HMOs) được biết đến với tầm quan trọng của chúng trong dinh dưỡng trẻ em. Oligosacarit sữa mẹ là một loại chất dinh dưỡng độc đáo, hoạt động như prebiotic, kháng khuẩn chống dính và điều hòa miễn dịch trong ruột của trẻ sơ sinh và đóng góp đáng kể cho sự phát triển não bộ. HMO chỉ được tìm thấy trong sữa mẹ; Các loại sữa động vật có vú khác (ví dụ như bò, dê, cừu, lạc đà, v.v.) không có dạng oligosacarit cụ thể này.
Oligosacarit sữa mẹ là thành phần rắn phong phú thứ ba trong sữa mẹ, có thể có mặt ở dạng hòa tan hoặc nhũ hóa hoặc lơ lửng trong nước. Lactose và axit béo là những chất rắn phong phú nhất được tìm thấy trong sữa mẹ. HMO có mặt ở nồng độ 0,35–0,88 ounce (9,9–24,9 g)/ L. Khoảng 200 oligosacarit sữa mẹ có cấu trúc khác nhau được biết đến. Oligosacarit chiếm ưu thế ở 80% phụ nữ là 2′-Fucosyllactose, có trong sữa mẹ ở nồng độ khoảng 2,5 g / L.
Vì HMO không được tiêu hóa, chúng không đóng góp calo vào dinh dưỡng. Là carbohydrate khó tiêu, chúng hoạt động như prebiotic và được lên men có chọn lọc bởi hệ vi sinh đường ruột mong muốn, đặc biệt là bifidobacteria.
- thúc đẩy sự phát triển của trẻ sơ sinh
- rất quan trọng cho sự phát triển trí não
- có chất chống viêm và
- tác dụng chống dính trong đường tiêu hóa
- hỗ trợ hệ miễn dịch ở người lớn
Các bộ xử lý siêu âm UIP2000hdT tăng chuyển khối lượng và kích hoạt các nhà máy tế bào cho năng suất cao hơn của các phân tử sinh học tổng hợp sinh học như HMO
Sinh tổng hợp sữa mẹ Oligosacarit
Các nhà máy sản xuất tế bào và hệ thống enzyme / hóa trị enzyme là những công nghệ hiện tại được sử dụng để tổng hợp HMO. Đối với sản xuất HMO ở quy mô công nghiệp, quá trình lên men của các nhà máy tế bào vi sinh vật, tổng hợp sinh hóa và các phản ứng enzyme khác nhau là những cách khả thi của sản xuất sinh học HMO. Vì lý do kinh tế, tổng hợp sinh học thông qua các nhà máy tế bào vi sinh vật hiện là kỹ thuật duy nhất được sử dụng ở mức độ sản xuất công nghiệp của HMO.
Lên men HMO bằng cách sử dụng các nhà máy tế bào vi sinh vật
E.coli, Saccharomyces cerevisiae và Lactococcus lactis là những nhà máy tế bào thường được sử dụng để sản xuất sinh học các phân tử sinh học như HMO. Lên men là một quá trình sinh hóa sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi chất nền thành các phân tử sinh học được nhắm mục tiêu. Các nhà máy sản xuất tế bào vi sinh vật sử dụng đường đơn giản làm chất nền, chúng chuyển đổi thành HMO. Vì các loại đường đơn giản (ví dụ như lactose) là một chất nền dồi dào, rẻ tiền, điều này giữ cho quá trình tổng hợp sinh học hiệu quả về chi phí.
Tốc độ tăng trưởng và chuyển đổi sinh học chủ yếu bị ảnh hưởng bởi việc chuyển khối lượng chất dinh dưỡng (chất nền) cho vi sinh vật. Tốc độ truyền khối lượng là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp sản phẩm trong quá trình lên men. Ultrasonication nổi tiếng để thúc đẩy chuyển giao hàng loạt.
Trong quá trình lên men, các điều kiện trong lò phản ứng sinh học phải được theo dõi và điều chỉnh liên tục để các tế bào có thể phát triển càng nhanh càng tốt để sau đó tạo ra các phân tử sinh học được nhắm mục tiêu (ví dụ oligosacarit như HMO; insulin; protein tái tổ hợp). Về mặt lý thuyết, sự hình thành sản phẩm bắt đầu ngay khi nuôi cấy tế bào bắt đầu phát triển. Tuy nhiên, đặc biệt là trong các tế bào biến đổi gen như vi sinh vật biến đổi, nó thường được gây ra sau đó bằng cách thêm một chất hóa học vào chất nền, điều chỉnh sự biểu hiện của phân tử sinh học được nhắm mục tiêu. Lò phản ứng sinh học siêu âm (sono-bioreactor) có thể được kiểm soát chính xác và cho phép kích thích cụ thể của vi khuẩn. Điều này dẫn đến sinh tổng hợp tăng tốc và năng suất cao hơn.
Ly giải siêu âm và khai thác: Lên men HMO phức tạp có thể bị hạn chế bởi chuẩn độ lên men thấp và các sản phẩm còn lại nội bào. Siêu âm ly giải và khai thác được sử dụng để giải phóng vật liệu nội bào trước khi thanh lọc và quá trình hạ lưu.
Ultrasonically thúc đẩy lên men
Tốc độ tăng trưởng của các vi khuẩn như Escherichia coli, E.coli được thiết kế, Saccharomyces cerevisiae và Lactococcus lactis có thể được tăng tốc bằng cách tăng tốc độ truyền khối lượng và tính thấm thành tế bào bằng cách áp dụng siêu âm tần số thấp có kiểm soát. Là một kỹ thuật xử lý nhẹ, không nhiệt, ultrasonication áp dụng lực cơ học hoàn toàn vào nước dùng lên men.
Acoustic Cavitation: Nguyên tắc làm việc của sonication dựa trên cavitation âm thanh. Đầu dò siêu âm (sonotrode) kết hợp sóng siêu âm tần số thấp vào môi trường. Các sóng siêu âm truyền qua chất lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (hiếm) xen kẽ. Bằng cách nén và kéo dài chất lỏng theo chu kỳ xen kẽ, bong bóng chân không phút phát sinh. Những bong bóng chân không nhỏ này phát triển qua nhiều chu kỳ cho đến khi chúng đạt đến kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm bất kỳ năng lượng nào. Tại thời điểm tăng trưởng tối đa này, bong bóng chân không nổ tung dữ dội và tạo ra các điều kiện khắc nghiệt cục bộ, được gọi là hiện tượng xâm thực. Trong "điểm nóng" xâm thực, có thể quan sát thấy sự chênh lệch áp suất và nhiệt độ cao và lực cắt mạnh với các tia chất lỏng lên đến 280m / giây. Bằng các hiệu ứng cavitational này, chuyển khối lượng triệt để và sonoporation (thủng thành tế bào và màng tế bào) đạt được. Các chất dinh dưỡng của chất nền được trôi nổi đến và đi vào toàn bộ tế bào sống, do đó các nhà máy tế bào được nuôi dưỡng tối ưu và tốc độ tăng trưởng cũng như tốc độ chuyển đổi được đẩy nhanh. Lò phản ứng sinh học siêu âm là một chiến lược đơn giản nhưng hiệu quả cao để xử lý sinh khối trong quá trình sinh tổng hợp một nồi.
Một sonication nhẹ, được kiểm soát chính xác nổi tiếng để tăng cường quá trình lên men.
Sonication cải thiện "năng suất của nhiều quá trình sinh học liên quan đến các tế bào sống thông qua việc tăng cường sự hấp thu chất nền, tăng cường sản xuất hoặc tăng trưởng bằng cách tăng độ xốp của tế bào và có khả năng tăng cường giải phóng các thành phần tế bào." (Naveena và cộng sự 2015)
Đọc thêm về quá trình lên men hỗ trợ siêu âm!
- Tăng năng suất
- Lên men nhanh
- Kích thích tế bào cụ thể
- Tăng cường hấp thu chất nền
- Tăng độ xốp của tế bào
- Dễ vận hành
- an toàn
- Retro-Fitting đơn giản
- Mở rộng quy mô tuyến tính
- Xử lý hàng loạt hoặc InIine
- ROI nhanh
Naveena et al. (2015) nhận thấy rằng tăng cường siêu âm cung cấp một số lợi thế trong quá trình xử lý sinh học, bao gồm chi phí vận hành thấp so với các lựa chọn điều trị tăng cường khác, đơn giản của hoạt động và yêu cầu năng lượng khiêm tốn.
The MultiSonoReactor MSR-4 là một chất đồng nhất nội tuyến công nghiệp thích hợp cho quá trình sinh tổng hợp tăng cường của Oligosacarit sữa mẹ (HMO).
Lò phản ứng lên men siêu âm hiệu suất cao
Quá trình lên men liên quan đến các vi sinh vật sống như vi khuẩn hoặc nấm men, có chức năng như các nhà máy tế bào. Trong khi sonication được áp dụng để thúc đẩy chuyển khối lượng và tăng tốc độ tăng trưởng và chuyển đổi của vi sinh vật, điều quan trọng là phải kiểm soát cường độ siêu âm chính xác để tránh sự phá hủy của các nhà máy tế bào.
Hielscher Ultrasonics là chuyên gia trong việc thiết kế, sản xuất và phân phối ultrasonicators hiệu suất cao, có thể được kiểm soát và giám sát chính xác để đảm bảo năng suất lên men vượt trội.
Kiểm soát quá trình không chỉ cần thiết cho năng suất cao và chất lượng vượt trội, mà còn cho phép lặp lại và tái tạo kết quả. Đặc biệt là khi nói đến sự kích thích của các nhà máy tế bào, sự thích nghi đặc trưng của tế bào của các thông số sonication là điều cần thiết để đạt được năng suất cao và ngăn chặn sự thoái hóa tế bào. Do đó, tất cả các mô hình kỹ thuật số của Hielscher ultrasonicators đều được trang bị phần mềm thông minh, cho phép bạn điều chỉnh, theo dõi và sửa đổi các thông số sonication. Các thông số quá trình siêu âm như biên độ, nhiệt độ, áp suất, thời gian sonication, chu kỳ nhiệm vụ và năng lượng đầu vào là điều cần thiết để thúc đẩy sản xuất HMO thông qua quá trình lên men.
Các phần mềm thông minh của Hielscher ultrasonicators ghi lại tự động tất cả các thông số quá trình quan trọng trên thẻ SD tích hợp. Việc ghi dữ liệu tự động của quá trình sonication là nền tảng cho tiêu chuẩn hóa quy trình và khả năng tái tạo / lặp lại, được yêu cầu cho Thực hành sản xuất tốt (GMP).
Hiệu trưởng siêu âm cho quá trình lên men
Hielscher cung cấp các đầu dò siêu âm có kích thước, chiều dài và hình học khác nhau, có thể được sử dụng cho các phương pháp điều trị hàng loạt cũng như dòng chảy liên tục. Lò phản ứng siêu âm, còn được gọi là lò phản ứng sinh học sono, có sẵn cho bất kỳ khối lượng bao gồm xử lý sinh học siêu âm từ các mẫu phòng thí nghiệm nhỏ đến mức sản xuất thí điểm và thương mại đầy đủ.
Người ta biết rằng vị trí của sonotrode siêu âm trong bình phản ứng ảnh hưởng đến sự phân phối xâm thực và vi dòng trong môi trường. Sonotrode và lò phản ứng siêu âm nên được lựa chọn phù hợp với khối lượng xử lý của nước dùng tế bào. Trong khi sonication có thể được thực hiện theo lô cũng như ở chế độ liên tục, đối với khối lượng sản xuất cao, việc sử dụng cài đặt dòng chảy liên tục được khuyến khích. Đi qua một tế bào dòng siêu âm, tất cả các môi trường tế bào được tiếp xúc chính xác như nhau với sonication đảm bảo điều trị hiệu quả nhất. Hielscher Ultrasonics phạm vi rộng của đầu dò siêu âm và lò phản ứng tế bào dòng chảy cho phép lắp ráp các thiết lập xử lý sinh học siêu âm lý tưởng.
Hielscher Siêu âm – Từ phòng thí nghiệm đến thí điểm đến sản xuất
Hielscher Ultrasonics bao gồm toàn bộ phổ của thiết bị siêu âm cung cấp homogenisers siêu âm cầm tay nhỏ gọn để chuẩn bị mẫu cho băng ghế dự bị và hệ thống thí điểm cũng như các đơn vị siêu âm công nghiệp mạnh mẽ dễ dàng xử lý xe tải mỗi giờ. Linh hoạt và linh hoạt trong các tùy chọn cài đặt và lắp đặt, Hielscher ultrasonicators có thể dễ dàng tích hợp vào tất cả các loại lò phản ứng hàng loạt, lô hoặc thiết lập dòng chảy liên tục.
Các phụ kiện khác nhau cũng như các bộ phận tùy chỉnh cho phép thích ứng lý tưởng của thiết lập siêu âm của bạn với yêu cầu quá trình của bạn.
Được xây dựng cho hoạt động 24/7 dưới tải đầy đủ và nhiệm vụ nặng nề trong điều kiện đòi hỏi, bộ vi xử lý siêu âm Hielscher là đáng tin cậy và chỉ yêu cầu bảo trì thấp.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200ml / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Đồng nhất siêu âm công suất cao từ phòng thí nghiệm đến phi công và Công nghiệp vảy.
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
Sự thật đáng biết
Sinh tổng hợp bằng cách sử dụng các nhà máy tế bào
Một nhà máy sản xuất tế bào vi sinh vật là một phương pháp kỹ thuật sinh học, sử dụng các tế bào vi sinh vật như một cơ sở sản xuất. Bằng cách biến đổi gen vi khuẩn, DNA của vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm, tế bào động vật có vú hoặc tảo được biến đổi biến vi khuẩn thành nhà máy sản xuất tế bào. Các nhà máy tế bào được sử dụng để chuyển đổi chất nền thành các phân tử sinh học có giá trị, được sử dụng ví dụ như trong thực phẩm, dược phẩm, hóa học và sản xuất nhiên liệu. Các chiến lược khác nhau của sinh tổng hợp dựa trên nhà máy tế bào nhằm mục đích sản xuất các chất chuyển hóa tự nhiên, biểu hiện các con đường sinh tổng hợp dị thể hoặc biểu hiện protein.
Các nhà máy tế bào có thể được sử dụng để tổng hợp các chất chuyển hóa tự nhiên, để biểu hiện các con đường sinh tổng hợp dị thể hoặc để biểu hiện protein.
Sinh tổng hợp các chất chuyển hóa tự nhiên
Các chất chuyển hóa tự nhiên được định nghĩa là các phân tử sinh học, mà các tế bào được sử dụng làm nhà máy sản xuất tế bào tạo ra tự nhiên. Các nhà máy tế bào sản xuất các phân tử sinh học này hoặc nội bào hoặc một chất tiết ra. Loại thứ hai được ưa thích vì nó tạo điều kiện cho việc tách và tinh chế các hợp chất được nhắm mục tiêu. Ví dụ cho các chất chuyển hóa tự nhiên là axit amin và nucleic, kháng sinh, vitamin, enzyme, hợp chất hoạt tính sinh học và protein được sản xuất từ các con đường đồng hóa của tế bào.
Con đường sinh tổng hợp Heterologus
Khi cố gắng tạo ra một hợp chất thú vị, một trong những quyết định quan trọng nhất là lựa chọn sản xuất trong máy chủ gốc và tối ưu hóa máy chủ này hoặc chuyển con đường sang một máy chủ nổi tiếng khác. Nếu vật chủ ban đầu có thể thích nghi với quy trình lên men công nghiệp và không có rủi ro liên quan đến sức khỏe khi làm như vậy (ví dụ: sản xuất các sản phẩm phụ độc hại), đây có thể là một chiến lược ưu tiên (như trường hợp ví dụ, đối với penicillin). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp hiện đại, tiềm năng của việc sử dụng một nhà máy sản xuất tế bào được ưa thích công nghiệp và các quy trình nền tảng liên quan lớn hơn khó khăn trong việc chuyển con đường.
Biểu hiện protein
Sự biểu hiện của protein có thể đạt được thông qua các cách tương đồng và dị thể. Trong biểu hiện tương đồng, một gen có mặt tự nhiên trong một sinh vật được biểu hiện quá mức. Thông qua sự biểu hiện quá mức này, năng suất cao hơn của một phân tử sinh học nhất định có thể được tạo ra. Đối với biểu hiện dị thể, một gen cụ thể được chuyển vào tế bào chủ trong đó gen không có mặt tự nhiên. Sử dụng kỹ thuật tế bào và công nghệ DNA tái tổ hợp, gen được đưa vào DNA của vật chủ để tế bào chủ tạo ra một lượng lớn protein mà nó sẽ không sản xuất tự nhiên. Biểu hiện protein được thực hiện ở nhiều vật chủ khác nhau từ vi khuẩn, ví dụ như E. coli và Bacillis subtilis, nấm men, ví dụ, Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, nấm sợi, ví dụ như A. niger, và các tế bào có nguồn gốc từ các sinh vật đa bào như động vật có vú và côn trùng. Protein vô nhiễm là mối quan tâm thương mại lớn, bao gồm từ các enzyme số lượng lớn, dược phẩm sinh học phức tạp, chẩn đoán và thuốc thử nghiên cứu. (xem A.M. Davy và cộng sự 2017)