Aperçu de l'ingénierie des bioprocédés

Le génie des bioprocédés est un domaine qui fait appel à de nombreuses disciplines d’ingénierie pour produire un produit spécifique à partir d’organismes vivants. En règle générale, les organismes sont des cellules génétiquement modifiées qui sont modifiées pour produire un produit, une protéine ou un produit chimique spécifique. Les cellules sont ensuite cultivées à grande échelle afin de produire le produit qui est ensuite purifié à l’aide de procédés en aval, tels que la chromatographie. Cette vidéo présentera un exemple de bioprocédé, passera en revue les principales méthodes dans le domaine, ainsi que certains défis et applications clés de la technologie.

Prenons l’exemple d’un bioprocédé utilisant des cellules pour produire une protéine de produit. Tout d’abord, l’organisme est sélectionné, qui peut être bactérien, fongique ou mammifère, en fonction de sa capacité à produire le produit souhaité. Les cellules sont génétiquement modifiées pour maximiser leur capacité à produire le produit et minimiser les processus secondaires inutiles. Les cellules modifiées sont cultivées à grande échelle appelée processus en amont. Une technique courante en amont est la culture en suspension, qui utilise un bioréacteur à cuve pour cultiver la culture cellulaire. La culture est élargie et la densité cellulaire augmente en passant à des volumes de plus en plus grands. Une fois que la culture a atteint le volume souhaité, la protéine du produit est récoltée dans les cellules, soit par sécrétion, où les cellules crachent la protéine, soit par lyse, où la cellule est brisée pour la libérer. Le produit est ensuite purifié dans le processus en aval pour éliminer les contaminants tels que les débris cellulaires et autres protéines. Un processus en aval typique utilise de nombreux types de technologies en série pour purifier et concentrer le produit. La filtration est souvent utilisée en premier pour éliminer les débris cellulaires et les grosses particules. La chromatographie est une autre technologie utilisée pour isoler et concentrer la protéine d’intérêt. Le produit final purifié est ensuite lyophilisé, ou lyophilisé, pour stabiliser la protéine en vue de son stockage. Les bioprocédés typiques sont d’abord conçus à l’échelle du laboratoire, puis mis à l’échelle pilote, avant d’être mis à l’échelle pour la fabrication. Maintenant que nous avons présenté un bioprocédé de base, jetons un coup d’œil à certaines méthodes de premier plan dans le domaine.

La culture de cellules de mammifères est le plus souvent utilisée dans la production industrielle de protéines thérapeutiques recombinantes. Les cellules ovariennes de hamster chinois, ou cellules CHO, sont l’un des types de cellules les plus couramment utilisés. Contrairement aux cellules bactériennes, les cellules de mammifères sont capables d’apporter des modifications post-traductionnelles complexes aux protéines. Ces modifications sont des changements structurels ou chimiques apportés à la protéine après qu’elle a été traduite dans le ribosome. Ceci est essentiel pour produire des structures complexes qui sont nécessaires aux protéines thérapeutiques. La culture de cellules de mammifères nécessite une attention particulière pendant la croissance, car les cellules sont plus sensibles que les cellules bactériennes. Une aération efficace est nécessaire. Cependant, les dommages causés par le cisaillement doivent être minimisés. Un environnement homogène bien contrôlé est également nécessaire, avec un contrôle strict du pH et de la température et une élimination rapide des produits toxiques. Les processus industriels sont mis à l’échelle pour produire un volume élevé de produit. La mise à l’échelle n’est pas aussi simple que d’augmenter proportionnellement le volume et donc la taille de l’équipement. Un facteur d’échelle est utilisé, qui est le rapport entre le débit massique de l’unité à grande échelle et celui de l’unité pilote. Les facteurs d’échelle sont utilisés pour déterminer la taille de réacteurs à réservoir géométriquement similaires. Par exemple, lorsque le volume évolue, avec le facteur d’échelle S, le diamètre du réservoir s’échelonne avec S à la puissance 1/3. Cela est dû aux limitations de masse et de transfert de chaleur avec un volume de réservoir plus important.

La fabrication de produits biologiques utilise des organismes vivants, qui sont susceptibles d’être contaminés. Les organismes contaminants peuvent être des bactéries, des champignons ou des virus, et peuvent provenir du personnel, des matériaux ou de l’équipement utilisés dans la fabrication. La contamination microbienne introduit une variabilité du produit et peut entraîner la dégradation de la protéine du produit. De nombreux bioprocédés sont utilisés pour produire des médicaments, qui sont fortement réglementés par les agences gouvernementales pour garantir leur sécurité et leur efficacité. Le médicament lui-même est d’abord soumis à des tests de laboratoire rigoureux et à des essais cliniques. Une fois le médicament approuvé, le processus de fabrication doit également faire l’objet d’un examen et d’une approbation. La réglementation, bien qu’essentielle pour garantir un produit final sûr, entraîne des contraintes supplémentaires sur le processus d’ingénierie. Des limites strictes sont imposées aux paramètres, tels que les réactifs, les contaminants et les concentrations autorisés.

Maintenant que vous avez vu certaines des techniques et des défis courants dans le biotraitement, jetons un coup d’œil à quelques applications du monde réel. Contrairement aux médicaments à petites molécules comme l’aspirine et l’acétaminophène, de nombreux médicaments complexes sont des protéines recombinantes et sont fabriqués par biotraitement. Les protéines thérapeutiques recombinantes ont rapidement augmenté au cours des 25 dernières années, avec des dizaines de thérapies ciblées. Le sida, le cancer, les maladies infectieuses, la cicatrisation des plaies, les troubles nutritionnels, les accidents vasculaires cérébraux et le choc septique ne sont que quelques-uns des domaines où les thérapies protéiques sont proposées en tant que thérapie. Le biotraitement est également utilisé pour fabriquer des biocarburants, tels que l’éthanol. L’éthanol est produit à partir de matériaux cellulosiques, tels que la canne à sucre ou le maïs. Le processus commence par l’isolement de la cellulose des matières premières, suivi de l’hydrolyse enzymatique et de la fermentation avec des levures. Ce bioprocédé est réalisé à l’échelle de la fabrication afin de produire de grandes quantités d’éthanol pour les énergies alternatives.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE aux bioprocédés. Vous devez maintenant comprendre le bioprocédé de base, certaines méthodes et défis courants, ainsi que les applications de la technologie. Merci d’avoir regardé.