Sản xuất oligosaccharide trong sữa mẹ bằng phương pháp sinh tổng hợp
Sinh tổng hợp oligosaccharide trong sữa mẹ (HMO) thông qua lên men hoặc các phản ứng enzym là một quá trình phức tạp, tiêu tốn nguồn lực và thường có hiệu suất thấp. Xử lý siêu âm làm tăng sự truyền khối giữa cơ chất và các nhà máy tế bào, đồng thời kích thích sự sinh trưởng và trao đổi chất của tế bào. Nhờ đó, xử lý siêu âm tăng cường quá trình lên men và các quá trình sinh hóa, giúp sản xuất HMO nhanh hơn và hiệu quả hơn.
Oligosaccharide trong sữa mẹ
Oligosaccharide trong sữa mẹ (HMO), còn được gọi là glycan trong sữa mẹ, là các phân tử đường thuộc nhóm oligosaccharide. Những ví dụ tiêu biểu về HMO bao gồm 2’-fucosyllactose (2′-FL), lacto-N-neotetraose (LNnT), 3’-galactosyllactose (3′-GL) và difucosyllactose (DFL).
Mặc dù sữa mẹ chứa hơn 150 cấu trúc HMO khác nhau, hiện chỉ có 2′-fucosyllactose (2′-FL) và lacto-N-neotetraose (LNnT) được sản xuất ở quy mô thương mại và sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng trong sữa công thức dành cho trẻ sơ sinh.
Oligosaccharide trong sữa mẹ (HMO) được biết đến với vai trò quan trọng trong dinh dưỡng cho trẻ nhỏ. Oligosaccharide trong sữa mẹ là một loại dưỡng chất độc đáo, có vai trò là chất tiền sinh học, chất kháng vi sinh vật thông qua cơ chế chống bám dính và chất điều hòa miễn dịch trong đường ruột của trẻ sơ sinh, đồng thời đóng góp đáng kể vào sự phát triển não bộ. HMO chỉ có trong sữa mẹ; sữa của các loài động vật có vú khác (ví dụ: bò, dê, cừu, lạc đà, v.v.) không có những dạng oligosaccharide đặc thù này.
Oligosaccharide trong sữa mẹ là thành phần chất rắn dồi dào thứ ba trong sữa mẹ, có thể tồn tại ở dạng hòa tan, nhũ tương hoặc huyền phù trong nước. Lactose và axit béo là những chất rắn dồi dào nhất trong sữa mẹ. HMO có nồng độ 0,35–0,88 ao-xơ (9,9–24,9 g)/ L. Khoảng 200 oligosaccharide trong sữa mẹ có cấu trúc khác nhau đã được biết đến. Oligosaccharide chiếm ưu thế ở 80% phụ nữ là 2′-fucosyllactose, có trong sữa mẹ ở nồng độ khoảng 2,5 g/ L.
Do HMO không được tiêu hóa nên chúng không cung cấp năng lượng cho dinh dưỡng. Là các carbohydrate không tiêu hóa được, chúng có chức năng như chất tiền sinh học và được lên men có chọn lọc bởi hệ vi sinh vật đường ruột có lợi, đặc biệt là bifidobacteria.
- thúc đẩy sự phát triển của trẻ sơ sinh
- có vai trò quan trọng đối với sự phát triển não bộ
- có tác dụng chống viêm và
- chống bám dính trong đường tiêu hóa
- hỗ trợ hệ miễn dịch ở người trưởng thành
Thiết bị xử lý siêu âm UIP2000hdT tăng cường truyền khối và hoạt hóa các nhà máy tế bào để tăng hiệu suất tạo ra các phân tử sinh học bằng phương pháp sinh tổng hợp, chẳng hạn như HMO
Sinh tổng hợp oligosaccharide trong sữa mẹ
Các nhà máy tế bào và hệ thống enzym / hóa học kết hợp enzym là những công nghệ hiện đang được sử dụng để tổng hợp HMO. Để sản xuất HMO ở quy mô công nghiệp, lên men bằng các nhà máy tế bào vi sinh vật, tổng hợp sinh hóa và các phản ứng enzym khác nhau là những phương pháp khả thi để sản xuất HMO bằng phương pháp sinh học. Vì lý do kinh tế, sinh tổng hợp bằng các nhà máy tế bào vi sinh vật hiện là kỹ thuật duy nhất được sử dụng để sản xuất HMO ở quy mô công nghiệp.
Lên men HMO bằng các nhà máy tế bào vi sinh vật
E.coli, Saccharomyces cerevisiae và Lactococcus lactis thường được sử dụng làm nhà máy tế bào để sản xuất các phân tử sinh học như HMO. Lên men là một quá trình sinh hóa sử dụng vi sinh vật để chuyển đổi cơ chất thành các phân tử sinh học mục tiêu. Các nhà máy tế bào vi sinh sử dụng đường đơn giản làm cơ chất và chuyển đổi chúng thành HMO. Vì đường đơn giản (ví dụ: lactose) là nguồn cơ chất dồi dào, giá rẻ, nên quá trình sinh tổng hợp đạt hiệu quả về chi phí.
Tốc độ sinh trưởng và chuyển hóa sinh học chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi sự truyền khối chất dinh dưỡng (cơ chất) đến vi sinh vật. Tốc độ truyền khối là một yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp sản phẩm trong quá trình lên men. Xử lý bằng siêu âm được biết đến rộng rãi với khả năng thúc đẩy truyền khối.
Trong quá trình lên men, các điều kiện trong thiết bị phản ứng sinh học phải được theo dõi và điều chỉnh liên tục để tế bào có thể sinh trưởng nhanh nhất có thể, từ đó sản xuất các phân tử sinh học mục tiêu (ví dụ: các oligosaccharide như HMO; insulin; protein tái tổ hợp). Về lý thuyết, sự hình thành sản phẩm bắt đầu ngay khi tế bào trong môi trường nuôi cấy bắt đầu sinh trưởng. Tuy nhiên, đặc biệt ở các tế bào biến đổi gen như vi sinh vật đã được biến đổi bằng kỹ thuật di truyền, sự hình thành sản phẩm thường được cảm ứng ở giai đoạn sau bằng cách bổ sung một chất hóa học vào cơ chất, làm tăng biểu hiện của phân tử sinh học mục tiêu. Các thiết bị phản ứng sinh học siêu âm có thể được điều khiển chính xác và cho phép kích thích vi sinh vật một cách đặc hiệu. Điều này giúp đẩy nhanh quá trình sinh tổng hợp và tăng hiệu suất thu sản phẩm.
Ly giải và chiết xuất bằng siêu âm: Quá trình lên men tạo HMO phức tạp có thể bị hạn chế bởi nồng độ sản phẩm lên men thấp và việc sản phẩm vẫn nằm trong tế bào. Ly giải và chiết xuất bằng siêu âm được sử dụng để giải phóng vật chất nội bào trước khi tinh sạch và thực hiện các công đoạn xử lý tiếp theo.
Lên men được thúc đẩy bằng siêu âm
Tốc độ sinh trưởng của các vi sinh vật như Escherichia coli, E.coli đã được biến đổi bằng kỹ thuật di truyền, Saccharomyces cerevisiae và Lactococcus lactis có thể được đẩy nhanh nhờ tăng tốc độ truyền khối và tính thấm của thành tế bào bằng cách áp dụng siêu âm tần số thấp có kiểm soát. Là một kỹ thuật xử lý nhẹ, không dùng nhiệt, xử lý bằng siêu âm tác động các lực thuần cơ học vào dịch lên men.
Xâm thực âm: Nguyên lý hoạt động của xử lý bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm. Đầu dò siêu âm (sonotrode) truyền ghép sóng siêu âm tần số thấp vào môi trường. Sóng siêu âm truyền qua chất lỏng, tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) / áp suất thấp (giãn) luân phiên. Việc nén và kéo giãn chất lỏng theo các chu kỳ luân phiên làm xuất hiện những bọt chân không rất nhỏ. Các bọt chân không nhỏ này lớn dần qua nhiều chu kỳ cho đến khi đạt kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm đạt kích thước tối đa này, bọt chân không sụp đổ dữ dội và tạo ra các điều kiện cực đoan cục bộ, được biết đến là hiện tượng xâm thực. Tại “điểm nóng” xâm thực, có thể quan sát thấy chênh lệch lớn về áp suất và nhiệt độ cùng các lực cắt mạnh với những tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/sec. Các hiệu ứng xâm thực này giúp đạt được sự truyền khối triệt để và tạo lỗ bằng siêu âm (tạo lỗ trên thành tế bào và màng tế bào). Các chất dinh dưỡng trong cơ chất được đưa đến và vào bên trong các tế bào sống nguyên vẹn, nhờ đó các nhà máy tế bào được nuôi dưỡng tối ưu, đồng thời tốc độ sinh trưởng và chuyển hóa được đẩy nhanh. Các thiết bị phản ứng sinh học siêu âm là một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao để xử lý sinh khối trong quá trình sinh tổng hợp diễn ra trong một thiết bị duy nhất.
Xử lý siêu âm nhẹ, được kiểm soát chính xác, được biết đến rộng rãi với khả năng tăng cường các quá trình lên men.
Xử lý bằng siêu âm cải thiện “năng suất của nhiều quá trình sinh học có sự tham gia của tế bào sống thông qua việc tăng khả năng hấp thu cơ chất, tăng sản xuất hoặc sinh trưởng bằng cách tăng độ xốp của tế bào, và có khả năng tăng giải phóng các thành phần tế bào.” (Naveena et al. 2015)
Đọc thêm về lên men có hỗ trợ siêu âm!
- Tăng hiệu suất thu sản phẩm
- Đẩy nhanh quá trình lên men
- Kích thích đặc hiệu theo từng loại tế bào
- Tăng khả năng hấp thu cơ chất
- Tăng độ xốp của tế bào
- Dễ vận hành
- An toàn
- Dễ tích hợp vào hệ thống hiện có
- Mở rộng quy mô tuyến tính
- Xử lý theo mẻ hoặc trên dòng chảy
- Hoàn vốn nhanh
Naveena và cộng sự (2015) nhận thấy rằng việc tăng cường bằng siêu âm mang lại nhiều lợi ích trong quá trình xử lý sinh học, bao gồm chi phí vận hành thấp so với các phương pháp xử lý tăng cường khác, vận hành đơn giản và yêu cầu công suất vừa phải.
MultiSonoReactor MSR-4 là máy đồng nhất hóa công nghiệp trên dòng chảy phù hợp để tăng cường quá trình sinh tổng hợp oligosaccharide trong sữa mẹ (HMO).
Thiết bị phản ứng lên men siêu âm hiệu năng cao
Các quá trình lên men sử dụng vi sinh vật sống như vi khuẩn hoặc nấm men, đóng vai trò là các nhà máy tế bào. Khi siêu âm được áp dụng để thúc đẩy truyền khối và tăng tốc độ sinh trưởng cũng như chuyển hóa của vi sinh vật, việc kiểm soát chính xác cường độ siêu âm là rất quan trọng để tránh phá hủy các nhà máy tế bào.
Hielscher Ultrasonics chuyên thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị siêu âm hiệu năng cao, có thể được kiểm soát và giám sát chính xác để bảo đảm hiệu suất lên men vượt trội.
Kiểm soát quá trình không chỉ thiết yếu để đạt hiệu suất cao và chất lượng vượt trội mà còn cho phép lặp lại và tái lập kết quả. Đặc biệt, khi kích thích các nhà máy tế bào, việc điều chỉnh các thông số xử lý siêu âm phù hợp với từng loại tế bào là thiết yếu để đạt hiệu suất cao và ngăn ngừa sự phân hủy tế bào. Vì vậy, tất cả các mẫu thiết bị siêu âm kỹ thuật số của Hielscher đều được trang bị phần mềm thông minh, cho phép bạn điều chỉnh, giám sát và sửa đổi các thông số xử lý siêu âm. Các thông số của quá trình siêu âm như biên độ, nhiệt độ, áp suất, thời gian xử lý siêu âm, chu kỳ hoạt động và năng lượng đầu vào đóng vai trò thiết yếu trong việc thúc đẩy sản xuất HMO thông qua lên men.
Phần mềm thông minh của các thiết bị siêu âm Hielscher tự động ghi lại tất cả các thông số quá trình quan trọng trên thẻ SD tích hợp. Việc tự động ghi dữ liệu của quá trình xử lý siêu âm là nền tảng cho việc chuẩn hóa quá trình và khả năng tái lập / lặp lại, vốn là những yêu cầu của Thực hành sản xuất tốt (GMP).
Thiết bị phản ứng siêu âm dùng cho lên men
Hielscher cung cấp các đầu dò siêu âm với nhiều kích thước, chiều dài và hình dạng, có thể được sử dụng để xử lý theo mẻ cũng như xử lý dòng chảy liên tục. Các thiết bị phản ứng siêu âm, còn được gọi là thiết bị phản ứng sinh học siêu âm, có sẵn cho mọi thể tích, đáp ứng việc xử lý sinh học bằng siêu âm từ các mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và sản xuất thương mại hoàn chỉnh.
Vị trí của đầu phát siêu âm trong bình phản ứng được biết là có ảnh hưởng đến sự phân bố của hiện tượng xâm thực và dòng chảy vi mô trong môi trường. Đầu phát siêu âm và thiết bị phản ứng siêu âm cần được lựa chọn phù hợp với thể tích dịch nuôi cấy tế bào cần xử lý. Mặc dù có thể xử lý siêu âm theo mẻ cũng như ở chế độ liên tục, hệ thống dòng chảy liên tục được khuyến nghị cho thể tích sản xuất lớn. Khi đi qua buồng xử lý siêu âm dòng chảy, toàn bộ môi trường nuôi cấy tế bào được tiếp xúc với siêu âm ở mức độ hoàn toàn như nhau, bảo đảm quá trình xử lý hiệu quả nhất. Danh mục đa dạng các đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng có buồng dòng chảy của Hielscher Ultrasonics cho phép lắp ráp hệ thống xử lý sinh học bằng siêu âm lý tưởng.
Hielscher Ultrasonics – Từ phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và sản xuất
Hielscher Ultrasonics cung cấp đầy đủ các loại thiết bị siêu âm, từ máy đồng hóa siêu âm cầm tay nhỏ gọn để chuẩn bị mẫu đến các hệ thống để bàn và thí điểm, cũng như các thiết bị siêu âm công nghiệp mạnh mẽ có thể dễ dàng xử lý khối lượng tương đương nhiều xe tải mỗi giờ. Với các lựa chọn lắp đặt và gá lắp đa dạng, linh hoạt, máy siêu âm Hielscher có thể dễ dàng tích hợp vào mọi loại thiết bị phản ứng theo mẻ, hệ thống nuôi cấy theo mẻ có bổ sung cơ chất hoặc hệ thống xử lý dòng chảy liên tục.
Nhiều phụ kiện cũng như các bộ phận được tùy chỉnh cho phép điều chỉnh hệ thống siêu âm của bạn để đáp ứng tối ưu các yêu cầu của quy trình.
Được chế tạo để vận hành 24/7 ở chế độ đầy tải và làm việc cường độ cao trong các điều kiện khắt khe, máy xử lý siêu âm Hielscher có độ tin cậy cao và chỉ cần ít bảo trì.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các máy siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Gửi câu hỏi cho chúng tôi!
Máy đồng hóa siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp .
Tài liệu / 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.
Những thông tin đáng biết
Sinh tổng hợp bằng nhà máy tế bào
Nhà máy tế bào vi sinh vật là một phương pháp kỹ thuật sinh học sử dụng các tế bào vi sinh vật làm cơ sở sản xuất. Thông qua kỹ thuật di truyền vi sinh vật, DNA của các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm, tế bào động vật có vú hoặc tảo được biến đổi, biến vi sinh vật thành các nhà máy tế bào. Các nhà máy tế bào được sử dụng để chuyển hóa cơ chất thành các phân tử sinh học có giá trị, được sử dụng chẳng hạn trong sản xuất thực phẩm, dược phẩm, hóa chất và nhiên liệu. Các chiến lược sinh tổng hợp dựa trên nhà máy tế bào khác nhau hướng đến việc sản xuất các chất chuyển hóa bản địa, biểu hiện các con đường sinh tổng hợp dị loài hoặc biểu hiện protein.
Các nhà máy tế bào có thể được sử dụng để tổng hợp các chất chuyển hóa bản địa, biểu hiện các con đường sinh tổng hợp dị loài hoặc biểu hiện protein.
Sinh tổng hợp các chất chuyển hóa bản địa
Các chất chuyển hóa bản địa được định nghĩa là các phân tử sinh học mà những tế bào được sử dụng làm nhà máy tế bào tạo ra một cách tự nhiên. Các nhà máy tế bào tạo ra những phân tử sinh học này trong nội bào hoặc dưới dạng chất được tiết ra ngoài. Dạng thứ hai được ưu tiên vì giúp việc phân tách và tinh sạch các hợp chất mục tiêu trở nên thuận tiện hơn. Ví dụ về các chất chuyển hóa bản địa bao gồm axit amin và axit nucleic, kháng sinh, vitamin, enzyme, các hợp chất có hoạt tính sinh học và protein được tạo ra từ các con đường đồng hóa của tế bào.
Các con đường sinh tổng hợp dị loài
Khi tìm cách sản xuất một hợp chất đáng quan tâm, một trong những quyết định quan trọng nhất là lựa chọn sản xuất trong vật chủ bản địa và tối ưu hóa vật chủ này, hay chuyển con đường sinh tổng hợp sang một vật chủ khác đã được nghiên cứu rõ. Nếu vật chủ ban đầu có thể được điều chỉnh để phù hợp với quy trình lên men công nghiệp và việc đó không gây ra các rủi ro liên quan đến sức khỏe (ví dụ: tạo ra các sản phẩm phụ độc hại), đây có thể là chiến lược được ưu tiên (chẳng hạn như trường hợp penicillin). Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp hiện nay, tiềm năng sử dụng một nhà máy tế bào được ưu tiên trong công nghiệp cùng các quy trình nền tảng liên quan có giá trị lớn hơn những khó khăn khi chuyển con đường sinh tổng hợp.
Biểu hiện protein
Biểu hiện protein có thể được thực hiện theo phương thức tương đồng và dị loài. Trong biểu hiện tương đồng, một gen vốn có tự nhiên trong sinh vật được biểu hiện quá mức. Thông qua sự biểu hiện quá mức này, có thể tạo ra một phân tử sinh học nhất định với sản lượng cao hơn. Đối với biểu hiện dị loài, một gen cụ thể được chuyển vào tế bào chủ mà trong tự nhiên không có gen đó. Bằng kỹ thuật tế bào và công nghệ DNA tái tổ hợp, gen được chèn vào DNA của vật chủ để tế bào chủ sản xuất một lượng (lớn) protein mà trong tự nhiên nó không sản xuất. Biểu hiện protein được thực hiện ở nhiều vật chủ khác nhau, từ vi khuẩn, ví dụ E. coli và Bacillis subtilis, nấm men, ví dụ Klyuveromyces lactis, Pichia pastoris, S. cerevisiae, nấm sợi, ví dụ A. niger, đến các tế bào có nguồn gốc từ sinh vật đa bào như động vật có vú và côn trùng. Vô số protein có giá trị thương mại lớn, bao gồm các enzyme được sản xuất với số lượng lớn, dược phẩm sinh học phức tạp, thuốc thử chẩn đoán và nghiên cứu. (xem A.M. Davy và cộng sự 2017)