Lysis siêu âm của tế bào kỹ thuật sinh học trong sản xuất công nghiệp

Các loài vi khuẩn sinh học như E. coli cũng như các loại động vật có vú và tế bào thực vật biến đổi gen được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học để thể hiện các phân tử. Để giải phóng các phân tử sinh học tổng hợp này, cần có một kỹ thuật gián đoạn tế bào đáng tin cậy. Siêu âm hiệu suất cao là một phương pháp đã được chứng minh để phân tích tế bào hiệu quả và đáng tin cậy – dễ dàng mở rộng thành thông lượng lớn. Siêu âm Hielscher cung cấp cho bạn thiết bị siêu âm hiệu suất cao để phân tích tế bào hiệu quả để sản xuất khối lượng lớn các phân tử sinh học chất lượng cao.

Khai thác các phân tử từ các nhà máy tế bào

Để sản xuất một loạt các phân tử sinh học, các vi khuẩn được thiết kế khác nhau và tế bào thực vật có thể được sử dụng làm nhà máy tế bào vi sinh vật, bao gồm Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas putida, Streptomyces, Corynebacterium glutamicum, Lactococcus lacti, Cyanobacteria, Saccharomyces cerevisiae, Pichia pastoris, Yarrowia lipolytica, Nicotiana benthamiana và tảo, trong số nhiều người khác. Các nhà máy tế bào này có thể sản xuất protein, lipid, sinh hóa, polyme, nhiên liệu sinh học và oleochemicals, được sử dụng làm thực phẩm hoặc nguyên liệu thô cho các ứng dụng công nghiệp. Các tế bào được sử dụng làm nhà máy tế bào được nuôi cấy trong các phản ứng sinh học khép kín, nơi chúng có thể đạt được hiệu quả cao, tính đặc hiệu và yêu cầu năng lượng thấp.
Để cô lập các phân tử mục tiêu từ nuôi cấy tế bào sinh học, các tế bào phải bị phá vỡ để vật liệu nội bào được giải phóng. Chất phá vỡ tế bào siêu âm được thiết lập tốt như kỹ thuật có độ tin cậy cao và hiệu quả để phân hủy tế bào và giải phóng hợp chất.

Các nhà máy tế bào vi sinh vật là các tế bào được thiết kế trao đổi chất được sử dụng để tổng hợp các hợp chất có giá trị khác nhau. Sự gián đoạn tế bào siêu âm là một phương pháp hiệu quả và đáng tin cậy để giải phóng các hợp chất có giá trị từ bên trong tế bào.
nghiên cứu và đồ họa: ©Villaverde, 2010.

Ưu điểm của chất gây rối loạn tế bào siêu âm

Là một công nghệ không nhiệt, nhẹ nhưng hiệu quả cao, chất gây rối siêu âm được sử dụng trong phòng thí nghiệm và công nghiệp để phân tích tế bào và tạo ra các chiết xuất chất lượng cao, ví dụ như được sử dụng để cô lập các phân tử từ các nhà máy tế bào.

Siêu âm điện cho sự gián đoạn hiệu quả của các nhà máy tế bào vi sinh vật

Cơ chế và tác dụng của chất gây rối loạn tế bào siêu âm:
Sự gián đoạn tế bào siêu âm sử dụng sức mạnh của sóng siêu âm. Bộ tăng trưởng / gián đoạn tế bào siêu âm được trang bị đầu dò (còn gọi là sonotrode) được làm từ hợp kim titan dao động ở tần số cao khoảng 20 kHz. Điều này có nghĩa là đầu dò siêu âm kết hợp 20.000 rung động mỗi giây vào chất lỏng sonicated. Các sóng siêu âm kết hợp với chất lỏng được đặc trưng bởi các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ. Trong một chu kỳ áp suất thấp, chất lỏng mở rộng và bong bóng chân không phút phát sinh. Những bong bóng rất nhỏ này phát triển qua một số chu kỳ áp suất xen kẽ cho đến khi chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Tại thời điểm này, bong bóng cavitation nổ tung dữ dội và tạo ra một môi trường năng lượng đặc biệt. Hiện tượng này được gọi là cavitation âm thanh và được đặc trưng bởi nhiệt độ rất cao tại địa phương, áp suất rất cao và lực cắt. Những căng thẳng cắt này phá vỡ thành tế bào hiệu quả và tăng chuyển khối lượng giữa bên trong tế bào và dung môi xung quanh. Là một kỹ thuật hoàn toàn cơ học, lực cắt được tạo ra bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi và quy trình được khuyến nghị cho sự gián đoạn tế bào vi khuẩn, cũng như để phân lập protein. Là một phương pháp gián đoạn tế bào đơn giản và nhanh chóng, sonication là lý tưởng cho sự cô lập của khối lượng nhỏ, trung bình và lớn. Máy siêu âm kỹ thuật số của Hielscher được trang bị một menu rõ ràng về cài đặt để kiểm soát sonication chính xác. Tất cả dữ liệu sonication được tự động lưu trữ trên thẻ SD tích hợp và chỉ cần truy cập. Các tùy chọn tinh vi của tản nhiệt như làm mát bên ngoài, sonication trong chế độ puls vv trong quá trình phân hủy siêu âm đảm bảo duy trì nhiệt độ quá trình lý tưởng và do đó nguyên vẹn của các hợp chất nhạy cảm với nhiệt chiết xuất.

Nghiên cứu nhấn mạnh những điểm mạnh của sự gián đoạn và khai thác tế bào siêu âm

Giáo sư Chemat et al. (2017) tiếp tục trong nghiên cứu của họ rằng "chiết xuất hỗ trợ siêu âm là một sự thay thế xanh và khả thi về mặt kinh tế cho các kỹ thuật thông thường cho thực phẩm và các sản phẩm tự nhiên. Những lợi ích chính là giảm thời gian chiết xuất và chế biến, lượng năng lượng và dung môi được sử dụng, hoạt động đơn vị và CO₂ khí thải".
Gabig-Ciminska et al. (2014) đã sử dụng một chất đồng nhất áp suất cao và một tế bào siêu âm dsintegrator trong nghiên cứu của họ để phân tích bào tử để giải phóng DNA. So sánh cả hai phương pháp gián đoạn tế bào, nhóm nghiên cứu kết luận rằng liên quan đến sự phân tích tế bào cho DNA bào tử, "phân tích đã được thực hiện bằng cách sử dụng các lysates tế bào từ đồng nhất áp suất cao. Sau đó, chúng tôi nhận ra rằng sự gián đoạn tế bào siêu âm có những lợi thế vượt trội cho mục đích này. Nó khá nhanh và có thể được xử lý cho khối lượng mẫu nhỏ." (Gabig-Ciminska et al., 2014)

Phân tử sinh học từ các nhà máy tế bào để sản xuất thực phẩm

Các nhà máy tế bào vi sinh vật là một phương pháp sản xuất khả thi và hiệu quả sử dụng các sinh vật vi sinh vật để tạo ra năng suất cao của các chất chuyển hóa bản địa và không bản địa bằng kỹ thuật sinh học trao đổi chất của các vi sinh vật vi sinh vật như vi khuẩn, nấm men, nấm, v.v. Ví dụ, các enzyme số lượng lớn được sản xuất bằng cách sử dụng vi sinh vật auch như Aspergillus oryzae, nấm và vi khuẩn. Những enzyme số lượng lớn này được sử dụng để sản xuất thực phẩm và đồ uống, cũng như trong nông nghiệp, năng lượng sinh học và chăm sóc hộ gia đình.
Một số vi khuẩn như Acetobacter xylinum và Gluconacetobacter xylinus tạo ra cellulose trong quá trình lên men, trong đó sợi nano được tổng hợp trong quá trình từ dưới lên. Cellulose vi khuẩn (còn được gọi là cellulose vi sinh vật) tương đương về mặt hóa học với cellulose thực vật, nhưng nó có mức độ tinh thể cao và độ tinh khiết cao (không có lignin, hemicellulose, pectin và các thành phần sinh học khác) cũng như cấu trúc độc đáo của mạng lưới ba chiều (3D) được dệt sợi nano cellulose. (xem. Zhong, 2020) So với cellulose có nguồn gốc thực vật, cellulose vi khuẩn bền vững hơn và cellulose được sản xuất tinh khiết không đòi hỏi các bước thanh lọc phức tạp. Siêu âm và chiết xuất dung môi bằng NaOH hoặc SDS (natri dodecyl sulfate) rất hiệu quả cho việc phân lập cellulose vi khuẩn từ các tế bào vi khuẩn.

Phân tử sinh học từ các nhà máy tế bào để sản xuất dược phẩm và vắc-xin

Một trong những sản phẩm dược phẩm nổi bật nhất có nguồn gốc từ các nhà máy tế bào là insulin của con người. Để sản xuất insulin kỹ thuật sinh học, chủ yếu là E. coli và Saccharomyces cerevisiae được sử dụng. Vì các phân tử có kích thước nano tổng hợp sinh học cung cấp khả năng tương thích sinh học cao, các hạt nano sinh học như ferritin có lợi cho nhiều ứng dụng sản xuất sinh học. Ngoài ra, việc sản xuất các vi khuẩn được thiết kế trao đổi chất thường có hiệu quả hơn đáng kể trong năng suất thu được. Ví dụ, việc sản xuất axit artemisinic, resveratrol và lycopene đã tăng gấp mười lần lên vài trăm lần, và đã được thành lập hoặc đang được phát triển để sản xuất quy mô công nghiệp. (xem. Liu et al.; Microb. Sự thật tế bào. 2017)
Ví dụ, các phân tử sinh học có kích thước nano dựa trên protein với các đặc tính tự lắp ráp như ferritin và các hạt giống như virus đặc biệt thú vị cho sự phát triển của vắc-xin vì chúng bắt chước cả kích thước và cấu trúc của mầm bệnh và có thể liên hợp bề mặt của kháng nguyên để thúc đẩy sự tương tác với các tế bào miễn dịch. Các phân tử như vậy được thể hiện trong cái gọi là nhà máy tế bào (ví dụ: các chủng E. coli được thiết kế), tạo ra một phân tử mục tiêu nhất định.

Giao thức cho Lysis siêu âm và E. coli BL21 để phát hành Ferritin

Ferritin là một protein, mà chức năng chính là lưu trữ sắt. Ferritin cho thấy khả năng đầy hứa hẹn như tự lắp ráp các hạt nano trong vắc-xin, nơi nó được sử dụng làm phương tiện phân phối vắc-xin (ví dụ: protein gai SARS-Cov-2). Nghiên cứu khoa học của Sun et. Al. (2016) cho thấy ferritin tái tổ hợp có thể được giải phóng dưới dạng hòa tan từ Escherichia coli ở nồng độ NaCl thấp (≤50 mmol / L). Để thể hiện ferritin trong E. coli BL21 và giải phóng ferrtin, giao thức sau đây đã được áp dụng thành công. PET-28a/ferritin plasmid tái tổ hợp đã được chuyển thành chủng E coli BL21 (DE3). Các tế bào ferritin E coli BL21 (DE3) được nuôi cấy trong phương tiện tăng trưởng LB với 0,5% kanamycin ở 37 ° C và gây ra ở OD600 là 0,6 với 0,4% isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside trong 3 giờ ở 37 ° C. Văn hóa cuối cùng sau đó được thu hoạch bằng cách ly tâm ở 8000g trong 10 phút ở 4 ° C, và viên được thu thập. Sau đó, viên được tái sử dụng trong môi trường LB (1% NaCl, 1% Typone, 0,5% chiết xuất nấm men)/ bộ đệm lysis (20 mmol / L Tris, 50 mmol / L NaCl, 1 mmol / L EDTA, pH 7,6) và nồng độ khác nhau của dung dịch NaCl (0, 50, 100, 170 và 300 mmol / L), tương ứng. Đối với phân ly tế bào vi khuẩn, sonication được áp dụng trong chế độ xung: ví dụ, sử dụng siêu âm UP400St ở biên độ 100% với chu kỳ nhiệm vụ là 5 giây ON, 10 giây TẮT, trong 40 chu kỳ) và sau đó ly tâm ở 10.000g trong 15 phút ở 4 ° C. Chất siêu sinh và kết tủa được phân tích bằng điện di gel polyacrylamide natri dodecyl sulfate polyacrylamide (SDS-PAGE). Tất cả các gel nhuộm natri dodecyl sulfate đều được quét bằng máy quét độ phân giải cao. Hình ảnh gel được phân tích bằng phần mềm Magic Chemi 1D. Để rõ ràng tối ưu, các dải protein đã được phát hiện bằng cách điều chỉnh các thông số. Dữ liệu cho các dải được tạo ra từ các phép thuật. (xem. Sun et al., 2016)

Chất phá vỡ tế bào siêu âm cho Lysis công nghiệp của các nhà máy tế bào

Lysis và chiết xuất siêu âm là một phương pháp đáng tin cậy và thoải mái để giải phóng các chất chuyển hóa từ các nhà máy tế bào do đó hỗ trợ sản xuất hiệu quả các phân tử mục tiêu. Chất gây rối tế bào siêu âm có sẵn từ phòng thí nghiệm đến kích thước công nghiệp và các quy trình có thể được thu nhỏ hoàn toàn tuyến tính.
Siêu âm Hielscher là đối tác có thẩm quyền của bạn cho các chất gây rối siêu âm hiệu suất cao và có kinh nghiệm lâu năm trong lĩnh vực cấy ghép hệ thống siêu âm trong các thiết lập băng ghế dự bị và công nghiệp.
Khi nói đến phần cứng và phần mềm tinh vi, hệ thống gián đoạn tế bào Siêu âm Hielscher đáp ứng tất cả các yêu cầu để kiểm soát quy trình tối ưu, hoạt động dễ dàng và thân thiện với người dùng. Khách hàng và người dùng máy siêu âm Hielscher đánh giá cao lợi ích mà các chất gây rối và chiết xuất tế bào siêu âm Hielscher cho phép giám sát và kiểm soát quy trình chính xác – thông qua màn hình cảm ứng kỹ thuật số và điều khiển từ xa trình duyệt. Tất cả dữ liệu sonication quan trọng (ví dụ: năng lượng ròng, tổng năng lượng, biên độ, thời gian, nhiệt độ, áp suất) được tự động lưu trữ dưới dạng tệp CSV trên thẻ SD tích hợp. Điều này giúp có được kết quả có thể tái tạo và lặp lại và tạo điều kiện tiêu chuẩn hóa quy trình cũng như thực hiện thực hành sản xuất tốt (cGMP).
Tất nhiên, bộ xử lý siêu âm Hielscher được chế tạo cho hoạt động 24/7 dưới tải đầy đủ và do đó có thể được vận hành đáng tin cậy trong các thiết lập sản xuất công nghiệp. Do độ mạnh mẽ cao và bảo trì thấp, thời gian chết của thiết bị siêu âm thực sự thấp. Các tính năng CIP (sạch tại chỗ) và SIP (khử trùng tại chỗ) giảm thiểu việc làm sạch tốn nhiều công sức, đặc biệt là vì tất cả các bộ phận ướt là bề mặt kim loại mịn (không có lỗ ẩn hoặc vòi phun).

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: