Sản xuất sinh tổng hợp của Oligosaccharides sữa người
Việc sinh tổng hợp oligosaccharide sữa con người (HMO) qua các phản ứng lên men hoặc enzym là một quá trình phức tạp, tiêu thụ và thường có năng suất thấp. Ultrasonication làm tăng sự chuyển giao khối lượng giữa các chất nền và nhà máy tế bào Ans kích thích sự tăng trưởng và chuyển hóa tế bào. Qua đó, sonication tăng cường quá trình lên men và hóa học sinh, dẫn đến sản xuất HMOs nhanh và hiệu quả hơn.
Sữa con người Oligosaccharides
Oligosaccharide sữa con người (HMO), còn được gọi là glycans sữa con người, là các phân tử đường, là một phần của nhóm oligosaccharide. Các ví dụ nổi bật của HMO bao gồm 2 '-fucoâm (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3 '-galactoâm thanh (3′-GL), và difucogiáo (DFL).
Trong khi sữa mẹ của con người bao gồm nhiều hơn các cấu trúc 150 HMO khác nhau, chỉ 2 ′-fucoâm (2 ′-FL) và lacto-N-neotetraose (LNnT) hiện đang được sản xuất trên mức thương mại và được sử dụng làm phụ gia dinh dưỡng trong công thức cho trẻ sơ sinh.
Oligosaccharide sữa con người (HMO) được biết đến với ý nghĩa của chúng trong dinh dưỡng em bé. Oligosaccharide sữa con người là một loại độc đáo của các chất dinh dưỡng, mà hoạt động như prebiotics, antimicrobials chống dính, và immunomodulators trong ruột của trẻ sơ sinh và đóng góp đáng kể vào sự phát triển não. HMO được tìm thấy độc quyền trong sữa mẹ của con người; sữa động vật có vú khác (ví dụ như bò, dê, cừu, lạc đà vv) không có các hình thức cụ thể của oligosaccharide.
Oligosaccharide sữa của con người là thành phần rắn phổ biến thứ ba trong sữa của con người, có thể có mặt hoặc ở dạng bị hòa tan hoặc nhũ hóa hoặc lơ lửng trong nước. Lactose và axit béo là chất rắn dồi dào nhất được tìm thấy trong sữa của con người. HMO hiện diện ở nồng độ 0.35 – 0.88 ounces (9,9 – 24,9 g)/L. khoảng 200 cấu trúc khác nhau oligosaccharide sữa con người được biết đến. Các oligosacarit chiếm ưu thế trong 80% của tất cả phụ nữ là 2′-fucoâm actose, có mặt trong sữa mẹ ở nồng độ xấp xỉ 2,5 g/L.
Kể từ khi HMOs không tiêu hóa, họ không calorically đóng góp vào dinh dưỡng. Là carbohydrate không tiêu, họ chức năng như prebiotics và có chọn lọc lên men bằng hệ vi sinh ruột mong muốn, đặc biệt là Bifidobacteria.
- thúc đẩy sự phát triển của trẻ sơ sinh
- quan trọng đối với phát triển não
- có chống viêm và
- tác dụng chống dính trong đường Dạ dày-ruột
- hỗ trợ hệ thống miễn dịch ở người lớn
Các Bộ xử lý siêu âm UIP2000hdT tăng khối lượng chuyển giao và kích hoạt các nhà máy tế bào cho sản lượng cao hơn của các phân tử sinh học tổng hợp như HMOs
Sinh tổng hợp của con người sữa Oligosaccharides
Các nhà máy tế bào và hệ thống enzym/chemo-enzym là các công nghệ hiện tại được sử dụng để tổng hợp HMO. Đối với sản xuất HMO trên quy mô công nghiệp, quá trình lên men của các nhà máy vi sinh vật, tổng hợp hóa học và các phản ứng enzym khác nhau là cách khả thi của HMO sinh sản. Vì lý do kinh tế, sự tổng hợp sinh học qua các nhà máy tế bào vi khuẩn hiện là kỹ thuật duy chỉ được sử dụng ở cấp độ sản xuất công nghiệp của HMO.
Quá trình lên men của HMO sử dụng nhà máy vi sinh vật
E. coli, Saccharomyces cerevisiae và Lactococcus lactis thường được sử dụng các nhà máy tế bào được sử dụng cho sản xuất sinh học của các phân tử sinh học như HMOs. Lên men là một quá trình sinh hóa bằng cách sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi một chất nền thành các phân tử được nhắm mục tiêu. Nhà máy vi sinh vật tế bào sử dụng đường đơn giản như chất nền, mà họ chuyển đổi thành HMO. Kể từ khi đường đơn giản (ví dụ như Lactose) là một chất nền phong phú, giá rẻ, điều này giúp quá trình tổng hợp sinh học hiệu quả.
Tốc độ tăng trưởng và chuyển đổi sinh học chủ yếu chịu ảnh hưởng của việc chuyển giao khối lượng chất dinh dưỡng (bề mặt) đến các vi sinh vật. Tốc độ truyền khối lượng là một yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tổng hợp sản phẩm trong quá trình lên men. Ultrasonication là nổi tiếng để thúc đẩy chuyển khối lượng.
Trong quá trình lên men, các điều kiện trong bioreactor 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 nhắm mục tiêu (ví dụ: oligosaccharides như HMO; insulin; protein tái tổ hợp). Về mặt lý thuyết, sự hình thành sản phẩm bắt đầu ngay sau 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 được thiết kế, nó thường được gây ra sau này bằng cách thêm một chất hóa học vào chất nền, điều này làm tăng sự biểu hiện của phân tử sinh học nhắm mục tiêu. Siêu âm bioreactors (sono-bioreactor) có thể được kiểm soát chính xác và cho phép sự kích thích cụ thể của vi khuẩn. Điều này dẫn đến sinh tổng hợp tăng tốc và năng suất cao hơn.
Siêu âm lysis và khai thác: Quá trình lên men của HMO phức tạp có thể bị giới hạn bởi các chuẩn độ lên men thấp và các sản phẩm còn lại nội bào. Siêu âm lysis và khai thác được sử dụng để phát hành vật liệu nội bào trước khi thanh lọc và xuống dòng quá trình.
Ultrasonically thúc đẩy lên men
Tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn như Escherichia coli, thiết kế E.coli, 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 kiểm soát ultrasonication tần số thấp. Là một kỹ thuật xử lý nhẹ, không nhiệt, ultrasonication áp dụng các lực cơ học hoàn toàn vào nước dùng lên men.
Cavitation âm thanh: 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 đi qua chất lỏng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (rarefaction) 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 nữa. 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 sâu răng. Trong "điểm nóng" cavitational, áp suất cao và chênh lệch nhiệt độ và lực cắt dữ dội với các tia chất lỏng lên đến 280m / giây có thể được quan sát thấy. Bằng những hiệu ứng cavitational này, chuyển khối lượng kỹ lưỡng và sonoporation (thủng thành tế bào và màng tế bào) đạt được. Các chất dinh dưỡng của chất nền được thả nổi đến và đi vào toàn bộ tế bào sống, do đó các nhà máy tế bào được nuôi dưỡng tối ưu và tăng trưởng cũng như tốc độ chuyển đổi được tăng tốc. Phản ứng sinh học siêu âm là một chiến lược đơn giản nhưng hiệu quả cao để xử lý sinh khối trong quá trình tổng hợp sinh học một nồi.
Một kiểm soát chính xác, sonication nhẹ là nổi tiếng để tăng cường quá trình lên men.
Sonication cải thiện "năng suất của nhiều quá trình sinh học liên quan đến tế bào sống qua việc tăng cường sự hấp thu chất nền, tăng cường sản xuất hoặc tăng trưởng bằng tăng độ xốp của tế bào, và có khả năng tăng cường phát hành của các thành phần tế bào." (Naveena et al. 2015)
Đọc thêm về lên men ultrasonically hỗ trợ!
- tăng năng suất
- Tăng tốc lên men
- Kích thích tế bào cụ thể
- Tăng cường chất nền hấp thụ
- Tăng độ xốp của ô
- Dễ vận hành
- An toàn
- Đơn giản retro-phù hợp
- cân tuyến tính
- Xử lý hàng loạt hoặc InIine
- nhanh chóng RoI
Naveena et al. (2015) 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 tùy chọn điều trị tăng cường khác, đơn giản hoạt động và yêu cầu quyền lực khiêm tốn.
Các MultiSonoReactor MSR-4 là một chất đồng nhất nội tuyến công nghiệp thích hợp cho quá trình sinh tổng hợp tăng cường Oligosaccharides sữa người (HMO).
Lò phản ứng lên men siêu âm hiệu suất cao
Quá trình lên men liên quan đến 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 tỷ lệ chuyển đổi của vi sinh vật, nó là rất quan trọng để 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 thiết kế, sản xuất và phân phối ultrasonicators hiệu suất cao, có thể được kiểm soát chính xác và theo dõi 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, nhưng cho phép lặp lại và tái tạo kết quả. Đặc biệt là khi IST nói đến sự kích thích của các nhà máy tế bào, các tế bào, thích ứng cụ thể của các thông số sonication là điều cần thiết để đạt được năng suất cao và để ngăn chặn sự suy thoái tế bào. Do đó, tất cả các mô hình kỹ thuật số của ultrasonicators Hielscher được trang bị phần mềm thông minh, cho phép bạn điều chỉnh, giám sát và sửa đổi các thông số sonication. Các thông số quá trình siêu âm như biên độ, Temperature, áp suất, thời gian sonication, chu kỳ nhiệm vụ, và đầu vào năng lượng là rất cần thiết để thúc đẩy sản xuất HMO qua quá trình lên men.
Phần mềm thông minh của ultrasonicators Hielscher 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 quá trình tiêu chuẩn hóa và khả năng tái sử dụng/lặp lại, được yêu cầu cho thực hành sản xuất tốt (GMP).
Siêu âm Rectors cho quá trình lên men
Hielscher cung cấp đầu dò siêu âm có kích thước, chiều dài và hình học khác nhau, có thể được sử dụng cho hàng loạt cũng như các phương pháp điều trị chảy qua liên tục. Lò phản ứng siêu âm, còn được gọi là sono-bioreactors, có sẵn cho bất kỳ khối lượng bao gồm quá trình xử lý sinh học siêu âm từ các mẫu phòng thí nghiệm nhỏ để thí điểm và mức độ sản xuất thương mại đầy đủ.
Nó cũng được biết rằng vị trí của sonotrode siêu âm trong tàu phản ứng ảnh hưởng đến sự phân bố của cavitation và vi-streaming 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 trong hàng loạt cũng như ở chế độ liên tục, cho khối lượng sản xuất cao việc sử dụng một cài đặt dòng chảy liên tục được khuyến khích. Đi qua một tế bào dòng siêu âm, tất cả các phương tiện tế bào được chính xác cùng một tiếp xúc với sonication đảm bảo điều trị hiệu quả nhất. Hielscher Ultrasonics phạm vi rộng các đầu dò siêu âm và lò phản ứng dòng chảy cho phép lắp ráp thiết lập xử lý sinh học siêu âm lý tưởng.
Hielscher Ultrasonics – Từ Lab đến Pilot để sản xuất
Hielscher Ultrasonics bao gồm đầy đủ các thiết bị siêu âm cung cấp các homogenisers siêu âm cầm tay nhỏ gọn để chuẩn bị mẫu cho hệ thống băng ghế-đầu và thí điểm cũng như các đơn vị siêu âm công nghiệp mạnh mẽ dễ dàng xử lý truckloads mỗi giờ. Linh hoạt và linh hoạt trong các tùy chọn lắp đặt và gắn kết, ultrasonicators Hielscher có thể dễ dàng tích hợp vào tất cả các loại lò phản ứng hàng loạt, các lô cho ăn hoặc các 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 quy trình của bạn.
Xây dựng cho 24/7 hoạt động 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 yêu cầu chỉ bảo trì thấp.
Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm:
| batch Khối lượng | Tốc độ dòng | Thiết bị khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500ml | 10 đến 200mL / phút | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL / phút | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 đến 20L | 00,2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | lớn hơn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ chúng tôi! / Hỏi chúng tôi!
Công suất cao siêu âm homogenizers từ Phòng thí nghiệm đến Pilot và Công nghiệp Quy mô.
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 kiện đáng biết
Sinh tổng hợp 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, trong đó sử dụng các tế bào vi sinh vật như một cơ sở sản xuất. Bởi vi khuẩn kỹ thuật di truyền, DNA của vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm, tế bào động vật có vú, hoặc tảo được sửa đổi biến vi khuẩn thành các nhà máy tế bào. Các nhà máy tế bào được sử dụng để chuyển đổi chất 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 bản địa, biểu hiện của các con đường sinh tổng hợp dị tính, hoặc biểu hiện protein.
Các nhà máy tế bào có thể được sử dụng để tổng hợp các chất chuyển hóa bản địa, để thể hiện các con đường sinh tổng hợp dị tính, hoặc để thể hiện protein.
Sinh tổng hợp các chất chuyển hóa bản địa
Chất chuyển hóa bản địa được định nghĩa là các phân tử sinh học, mà các tế bào được sử dụng như nhà máy sản xuất tế bào tự nhiên. Các nhà máy tế bào sản xuất các phân tử sinh học hoặc nội bào hoặc một chất tiết ra. Loại thứ hai được ưa thích vì nó tạo điều kiện cho việc tách và thanh lọc các hợp chất được nhắm mục tiêu. Ví dụ cho các chất chuyển hóa bản địa là axit amin và nucleic, thuốc kháng sinh, vitamin, enzyme, các hợp chất hoạt tính sinh học, và protein được sản xuất từ con đường anabolic của tế bào.
Con đường sinh hợp dị vật
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 được điều chỉnh cho phù hợp với quá 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 ưa thích (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 ưa thích công nghiệp và các quy trình nền tảng liên quan vượt quá khó khăn trong việc chuyển giao con đường.
Biểu hiện protein
Sự biểu hiện của protein có thể đạt được thông qua những cách tương đồng và dị tính. Trong biểu hiện tương đồng, một gen có mặt tự nhiên trong một sinh vật được thể hiện quá mức. Thông qua biểu hiện này, một năng suất cao hơn của một phân tử sinh học nhất định có thể được sản xuất. Đối với biểu hiện dị tính, một gen cụ thể được chuyển vào một tế bào chủ ở 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 (lớn) một lượng protein mà nó sẽ không sản xuất tự nhiên. Biểu hiện protein được thực hiện ở nhiều loại vật chủ từ vi khuẩn, ví dụ 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 innummerous có lợi ích thương mại lớn, bao gồm từ các enzym số lượng lớn, dược phẩm sinh học phức tạp, chẩn đoán và thuốc thử nghiên cứu. (cf. A.M. Davy et al. 2017)