Resumen de la ingeniería de bioprocesos

La ingeniería de bioprocesos es un campo que utiliza muchas disciplinas de ingeniería para producir un producto específico a partir de organismos vivos. Por lo general, los organismos son células modificadas genéticamente que están diseñadas para producir un producto, proteína o químico específico. A continuación, las células se cultivan a gran escala para producir el producto, que posteriormente se purifica mediante procesos posteriores, como la cromatografía. Este video presentará un ejemplo de bioproceso, revisará los métodos destacados en el campo, así como algunos desafíos y aplicaciones clave de la tecnología.

Echemos un vistazo a un ejemplo de bioproceso que utiliza células para producir una proteína producto. En primer lugar, se selecciona el organismo, que puede ser bacteriano, fúngico o mamífero, dependiendo de su capacidad para producir el producto deseado. Las células se modifican genéticamente para maximizar su capacidad de producir el producto y minimizar los procesos secundarios innecesarios. Las células modificadas se cultivan a gran escala, lo que se denomina proceso ascendente. Una técnica común aguas arriba es un cultivo en suspensión, que utiliza un biorreactor de recipiente para hacer crecer el cultivo celular. El cultivo se expande y la densidad celular aumenta al pasar a volúmenes cada vez más grandes. Una vez que el cultivo ha alcanzado el volumen deseado, la proteína producto se recolecta de las células, ya sea a través de la secreción, donde las células escupen la proteína, o por lisis, donde la célula se rompe para liberarla. A continuación, el producto se purifica en el proceso posterior para eliminar contaminantes como restos de células y otras proteínas. Un proceso posterior típico utiliza muchos tipos de tecnología en serie para purificar y concentrar el producto. La filtración a menudo se usa primero para eliminar los desechos celulares y las partículas grandes. La cromatografía es otra tecnología utilizada para aislar y concentrar la proteína de interés. A continuación, el producto final purificado se liofiliza para estabilizar la proteína y almacenarla. Los bioprocesos típicos se diseñan primero a escala de laboratorio, luego se amplían a escala piloto, antes de seguir escalando para la fabricación. Ahora que hemos introducido un bioproceso básico, echemos un vistazo a algunos métodos destacados en el campo.

El cultivo de células de mamíferos se utiliza con mayor frecuencia en la producción industrial de proteínas terapéuticas recombinantes. Las células de ovario de hámster chino, o células CHO, son uno de los tipos de células más comunes utilizados. A diferencia de las células bacterianas, las células de mamíferos son capaces de realizar complejas modificaciones postraduccionales en las proteínas. Estas modificaciones son cambios estructurales o químicos que se realizan en la proteína después de que se traduce en el ribosoma. Esto es esencial para producir estructuras complejas que son necesarias para las proteínas terapéuticas. El cultivo de células de mamíferos requiere consideraciones cuidadosas durante el crecimiento, ya que las células son más sensibles que las células bacterianas. Se requiere una aireación efectiva. Sin embargo, el daño por cizallamiento debe minimizarse. También es necesario un entorno homogéneo bien controlado, con un estricto control del pH y la temperatura y una rápida eliminación de los productos tóxicos. Los procesos industriales se amplían para producir un gran volumen del producto. El escalado no es tan fácil como simplemente aumentar proporcionalmente el volumen y, por lo tanto, el tamaño del equipo. Se utiliza un factor de escala, que es la relación entre el flujo másico de la unidad de escala completa y la unidad piloto. Los factores de escala se utilizan para determinar el tamaño de reactores de tanque geométricamente similares. Por ejemplo, a medida que el volumen escala, con el factor de escala S, el diámetro del tanque escala con S hasta 1/3. Esto se debe a las limitaciones de masa y transferencia de calor con el mayor volumen del tanque.

La fabricación de productos biológicos utiliza organismos vivos, que son susceptibles a la contaminación. Los organismos contaminantes pueden ser bacterias, hongos o virus, y pueden surgir del personal, los materiales o el equipo utilizado en la fabricación. La contaminación microbiana introduce variabilidad del producto y puede causar la degradación de la proteína del producto. Muchos bioprocesos se utilizan para producir productos farmacéuticos, que están fuertemente regulados por agencias gubernamentales para garantizar que sean seguros y eficaces. El medicamento en sí pasa primero por rigurosas pruebas de laboratorio y ensayos clínicos. Una vez que se aprueba el medicamento, el proceso de fabricación también debe someterse a examen y aprobación. La regulación, aunque es esencial para garantizar un producto final seguro, da lugar a limitaciones adicionales en el proceso de ingeniería. Se imponen limitaciones estrictas a los parámetros, como los reactivos permitidos, los contaminantes y las concentraciones.

Ahora que ha visto algunas de las técnicas y desafíos comunes en el bioprocesamiento, echemos un vistazo a algunas aplicaciones del mundo real. A diferencia de los medicamentos de moléculas pequeñas como la aspirina y el paracetamol, muchos medicamentos complejos son proteínas recombinantes y se fabrican mediante bioprocesamiento. Las terapias con proteínas recombinantes han aumentado rápidamente en los últimos 25 años, con docenas de terapias dirigidas. El SIDA, el cáncer, las enfermedades infecciosas, la cicatrización de heridas, los trastornos nutricionales, los accidentes cerebrovasculares y el choque séptico son solo algunas de las áreas en las que se ofrecen terapias con proteínas. El bioprocesamiento también se utiliza para producir biocombustibles, como el etanol. El etanol se produce a partir de material celulósico, como la caña de azúcar o el maíz. El proceso comienza con el aislamiento de la celulosa de las materias primas, seguido de la hidrólisis enzimática y la fermentación con levadura. Este bioproceso se realiza a escala de fabricación con el fin de producir grandes cantidades de etanol para energías alternativas.

Acabas de ver la introducción de JoVE al bioprocesamiento. Ahora debe comprender el bioproceso básico, algunos métodos y desafíos comunes, así como las aplicaciones de la tecnología. Gracias por mirar.