Ly giải siêu âm các tế bào kỹ thuật sinh học trong sản xuất công nghiệp

Các loài vi khuẩn biến đổi sinh học như E. coli cũng như các loại tế bào thực vật và động vật có vú biến đổi gen được sử dụng rộng rãi trong công nghệ sinh học để biểu hiện các phân tử. Để giải phóng các phân tử sinh học tổng hợp này, cần có một kỹ thuật phá vỡ tế bào đáng tin cậy. Ultrasonication hiệu suất cao là một phương pháp đã được chứng minh để ly giải tế bào hiệu quả và đáng tin cậy – Dễ dàng mở rộng đến thông lượng lớn. Hielscher Ultrasonics cung cấp cho bạn thiết bị siêu âm hiệu suất cao để ly giải 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 và tế bào thực vật được thiết kế khác nhau có thể được sử dụng làm nhà máy sản xuất 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 loài khác. Các nhà máy tế bào này có thể sản xuất protein, lipid, hóa sinh, polyme, nhiên liệu sinh học và hóa chất oleochemical, 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 sản xuất tế bào được nuôi cấy trong các lò phản ứng sinh học kín, nơi chúng có thể đạt được hiệu quả cao, độ đặc hiệu và yêu cầu năng lượng thấp.
Để cô lập các phân tử đích từ nuôi cấy tế bào kỹ thuật sinh học, các tế bào phải được phá vỡ để vật liệu nội bào được giải phóng. Chất phá vỡ tế bào siêu âm được thiết lập tốt như là kỹ thuật có độ tin cậy cao và hiệu quả cho sự tan rã tế bào và giải phóng hợp chất.

Các nhà máy sản xuất tế bào vi sinh vật là các tế bào được thiết kế chuyển hóa 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 phá vỡ siêu âm được sử dụng trong phòng thí nghiệm và công nghiệp để lyse tế bào và sản xuất 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 để phá vỡ hiệu quả 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 đồng nhất siêu âm / phá vỡ tế bào được trang bị một 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 chu kỳ áp suất thấp, chất lỏng nở ra và bong bóng chân không nhỏ phát sinh. Những bong bóng rất nhỏ này phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất xen kẽ cho đến khi chúng không thể hấp thụ thêm bất kỳ năng lượng nào. Tại thời điểm này, các bong bóng xâm thực nổ tung dữ dội và tạo ra một môi trường dày đặc năng lượng phi thường. Hiện tượng này được gọi là xâm thực âm thanh và được đặc trưng bởi nhiệt độ rất cao cục bộ, áp suất rất cao và lực cắt. Những ứng suất cắt này phá vỡ thành tế bào một cách hiệu quả và tăng sự chuyển khối lượng giữa bên trong tế bào và dung môi xung quanh. Là một kỹ thuật cơ học thuần túy, lực cắt được tạo ra bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi và là quy trình được khuyến nghị cho sự gián đoạn tế bào vi khuẩn, cũng như để phân lập protein. Là một phương pháp phá vỡ tế bào đơn giản và nhanh chóng, sonication là lý tưởng cho việc cô lập các khối lượng nhỏ, trung bình và lớn. Ultrasonicators kỹ thuật số của Hielscher được trang bị một menu rõ ràng của các thiết lập để kiểm soát sonication chính xác. Tất cả dữ liệu sonication được tự động lưu trữ trên thẻ SD tích hợp và có thể truy cập đơn giản. Các tùy chọn tinh vi của tản nhiệt như làm mát bên ngoài, sonication ở chế độ xung, vv trong quá trình tan rã siêu âm đảm bảo duy trì nhiệt độ quá trình lý tưởng và do đó sự 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 giải pháp 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 khai thác và xử lý, lượng năng lượng và dung môi được sử dụng, hoạt động của đơn vị và CO₂ khí thải."
Gabig-Ciminska et al. (2014) đã sử dụng máy đồng nhất áp suất cao và máy tích hợp tế bào siêu âm trong nghiên cứu của họ để ly giải bào tử để giải phóng DNA. So sánh cả hai phương pháp phá vỡ tế bào, nhóm nghiên cứu kết luận rằng liên quan đến việc ly giải tế bào cho DNA bào tử, "phân tích đã được thực hiện bằng cách sử dụng dịch tiết tế bào từ quá trình 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 và cộng sự, 2014)

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

Các nhà máy sản xuất tế bào vi sinh vật là một phương pháp sản xuất khả thi và hiệu quả sử dụng các vi sinh vật để tạo ra năng suất cao của các chất chuyển hóa tự nhiên và không bản địa bằng kỹ thuật sinh học trao đổi chất của các 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 các vi sinh vật 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 gia đình.
Một số vi khuẩn như Acetobacter xylinum và Gluconacetobacter xylinus tạo ra cellulose trong quá trình lên men, trong đó các 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 độ kết tinh cao và độ tinh khiết cao (không chứa lignin, hemicellulose, pectin và các thành phần sinh học khác) cũng như cấu trúc độc đáo của mạng lưới ba chiều dệt sợi nano cellulose (3D). (xem Zhong, 2020) So với cellulose có nguồn gốc thực vật, cellulose vi khuẩn bền vững hơn và cellulose được sản xuất là tinh khiết không đòi hỏi các bước tinh chế phức tạp. Ultrasonication và khai thác dung môi bằng cách sử dụng NaOH hoặc SDS (natri dodecyl sulfate) rất hiệu quả cho việc cô 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 người. Để sản xuất insulin kỹ thuật sinh học, chủ yếu là E. coli và Saccharomyces cerevisiae được sử dụng. Vì các phân tử 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 vi khuẩn biến đổi chất thường 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 đến vài trăm lần, và đã được thiết lập hoặc đang phát triển để sản xuất quy mô công nghiệp. (xem Lưu và cộng sự; Vi bạ. Thực tế 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 virus đặc biệt thú vị cho sự phát triển 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 đích nhất định.

Giao thức ly giải siêu âm và E. coli BL21 để giải phóng Ferritin

Ferritin là một protein, có chức năng chính là lưu trữ sắt. Ferritin cho thấy khả năng đầy hứa hẹn như các hạt nano tự lắp ráp trong vắc xin, nơi nó được sử dụng làm phương tiện phân phối vắc xin (ví dụ như protein gai của SARS-Cov-2). Các 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. Plasmid pET-28a/ferritin tái tổ hợp được chuyển thành chủng E coli BL21 (DE3). Các tế bào ferritin E coli BL21 (DE3) được nuôi cấy trong môi trường tăng trưởng LB với 0,5% kanamycin ở 37 ° C và gây ra ở OD600 0,6 với 0,4% isopropyl-β-D-thiogalactopyranoside trong 3 giờ ở 37 ° C. Nuôi cấy 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 nén được lơ lửng trong môi trường LB (NaCl 1%, Typone 1%, chiết xuất men 0,5%) / dung dịch đệm ly giải (20 mmol / L Tris, 50 mmol / L NaCl, 1 mmol / L EDTA, pH 7,6) và nồng độ dung dịch NaCl khác nhau (0, 50, 100, 170 và 300 mmol / L), tương ứng. Đối với ly giải tế bào vi khuẩn, sonication đã được áp dụng ở chế độ xung: ví dụ, sử dụng UP400ST siêu âm ở biên độ 100% với chu kỳ làm việc 5 giây BẬT, TẮT 10 giây, trong 40 chu kỳ) và sau đó ly tâm ở 10 000g trong 15 phút ở 4 ° C. Supernatant và kết tủa được phân tích bằng điện di gel 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 có độ rõ ràng tối ưu, các dải protein được phát hiện bằng cách điều chỉnh các thông số. Dữ liệu cho các băng tần được tạo ra từ bộ ba kỹ thuật. (xem Sun và cộng sự, 2016)

Chất gây rối loạn tế bào siêu âm cho ly giải công nghiệp của các nhà máy tế bào

Siêu âm ly giải và khai thác 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 đích. Chất gây rối loạn tế bào siêu âm có sẵn từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp và các quy trình có thể được thu nhỏ hoàn toàn tuyến tính.
Hielscher Ultrasonics 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 quá trình tối ưu, hoạt động dễ dàng và thân thiện với người dùng. Khách hàng và người sử dụng của Hielscher ultrasonicators đánh giá cao lợi ích mà Hielscher siêu âm tế bào phá vỡ và máy vắt cho phép quá trình giám sát và kiểm soát chính xác – thông qua màn hình cảm ứng kỹ thuật số và điều khiển từ xa của trình duyệt. Tất cả dữ liệu sonication quan trọng (ví dụ: năng lượng ròng, tổng năng lượng, biên độ, thời lượng, nhiệt độ, áp suất) được tự động lưu trữ dưới dạng tệp CSV trên thẻ SD tích hợp. Điều này giúp thu được kết quả có thể tái tạo và lặp lại và tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiêu chuẩn hóa quy trình cũng như thực hiện Thực hành sản xuất tốt (cGMP).
Tất nhiên, bộ vi xử lý siêu âm Hielscher được xây dựng 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 bền cao và bảo trì thấp, thời gian chết của thiết bị siêu âm thực sự thấp. Các tính năng CIP (làm 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 đều là bề mặt kim loại nhẵn (không có lỗ hoặc vòi phun ẩn).

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: