Visão geral da Engenharia de Bioprocessos

A engenharia de bioprocessos é um campo que usa muitas disciplinas de engenharia para produzir um produto específico a partir de organismos vivos. Normalmente, os organismos são células geneticamente modificadas que são projetadas para produzir um produto, proteína ou produto químico específico. As células são então cultivadas em grande escala para produzir o produto que é posteriormente purificado usando processos a jusante, como a cromatografia. Este vídeo apresentará um exemplo de bioprocesso, revisará métodos proeminentes no campo, bem como alguns dos principais desafios e aplicações da tecnologia.

Vamos dar uma olhada em um exemplo de bioprocesso usando células para produzir uma proteína de produto. Primeiro, é selecionado o organismo, que pode ser bacteriano, fúngico ou mamífero, dependendo de sua capacidade de produzir o produto desejado. As células são geneticamente modificadas para maximizar sua capacidade de produzir o produto e minimizar processos colaterais desnecessários. As células modificadas são cultivadas em grande escala chamada processo upstream. Uma técnica comum a montante é uma cultura em suspensão, que usa um biorreator de vaso para cultivar a cultura de células. A cultura é expandida e a densidade celular aumenta com a transição para volumes cada vez maiores. Uma vez que a cultura tenha atingido o volume desejado, a proteína do produto é colhida das células, seja por secreção, onde as células cospem a proteína, ou por lise, onde a célula é quebrada para liberá-la. O produto é então purificado no processo a jusante para remover contaminantes, como detritos celulares e outras proteínas. Um processo típico a jusante usa muitos tipos de tecnologia em série para purificar e concentrar o produto. A filtragem é frequentemente usada primeiro para remover detritos celulares e partículas grandes. A cromatografia é outra tecnologia usada para isolar e concentrar a proteína de interesse. O produto final purificado é então liofilizado, ou liofilizado, para estabilizar a proteína para armazenamento. Os bioprocessos típicos são projetados primeiro em escala de laboratório, depois ampliados para escala piloto, antes de escalonamento adicional para fabricação. Agora que introduzimos um bioprocesso básico, vamos dar uma olhada em alguns métodos proeminentes no campo.

A cultura de células de mamíferos é mais frequentemente usada na produção industrial de terapias de proteínas recombinantes. As células do ovário do hamster chinês, ou células CHO, são um dos tipos de células mais comuns usados. Ao contrário das células bacterianas, as células de mamíferos são capazes de fazer modificações pós-traducionais complexas nas proteínas. Essas modificações são mudanças estruturais ou químicas feitas na proteína depois que ela é traduzida no ribossomo. Isso é essencial para produzir estruturas complexas que são necessárias para proteínas terapêuticas. A cultura de células de mamíferos requer considerações cuidadosas durante o crescimento, pois as células são mais sensíveis do que as células bacterianas. É necessária uma aeração eficaz. No entanto, os danos por cisalhamento devem ser minimizados. Também é necessário um ambiente homogêneo bem controlado, com controle rigoroso de pH e temperatura e rápida remoção de produtos tóxicos. Os processos industriais são ampliados para produzir um grande volume do produto. O aumento de escala não é tão fácil quanto simplesmente aumentar proporcionalmente o volume e, portanto, o tamanho do equipamento. Um fator de escala é usado, que é a razão entre o fluxo de massa da unidade em escala real e a unidade piloto. Os fatores de escala são usados para determinar o tamanho de reatores de tanque geometricamente semelhantes. Por exemplo, como escalas de volume, com o fator de escala S, o diâmetro do tanque é dimensionado com S para 1/3. Isso ocorre devido às limitações de massa e transferência de calor com o maior volume do tanque.

A fabricação de produtos biológicos utiliza organismos vivos, que são suscetíveis à contaminação. Os organismos contaminantes podem ser bactérias, fungos ou vírus e podem surgir de pessoal, materiais ou equipamentos usados na fabricação. A contaminação microbiana introduz a variabilidade do produto e pode causar degradação da proteína do produto. Muitos bioprocessos são usados para produzir medicamentos, que são fortemente regulamentados por agências governamentais para garantir que sejam seguros e eficazes. A droga em si passa primeiro por rigorosos testes laboratoriais e ensaios clínicos. Uma vez aprovado o medicamento, o processo de fabricação também deve passar por exame e aprovação. A regulamentação, embora essencial para garantir um produto final seguro, resulta em restrições adicionais ao processo de engenharia. Limitações estritas são colocadas em parâmetros, como reagentes permitidos, contaminantes e concentrações.

Agora que você viu algumas das técnicas e desafios comuns no bioprocessamento, vamos dar uma olhada em algumas aplicações do mundo real. Ao contrário de drogas de moléculas pequenas, como aspirina e paracetamol, muitas drogas complexas são proteínas recombinantes e são feitas por meio de bioprocessamento. A terapêutica de proteínas recombinantes aumentou rapidamente nos últimos 25 anos, com dezenas de terapias direcionadas. AIDS, câncer, doenças infecciosas, cicatrização de feridas, distúrbios nutricionais, derrame e choque séptico são apenas algumas das áreas em que a terapêutica proteica é oferecida como terapia. O bioprocessamento também é usado para fazer biocombustíveis, como o etanol. O etanol é produzido a partir de material celulósico, como cana-de-açúcar ou milho. O processo começa com o isolamento da celulose das matérias-primas, seguido pela hidrólise enzimática e fermentação com levedura. Este bioprocesso é realizado em escala de fabricação com o objetivo de produzir grandes quantidades de etanol para energia alternativa.

Você acabou de assistir à introdução de JoVE ao bioprocessamento. Agora você deve entender o bioprocesso básico, alguns métodos e desafios comuns, bem como as aplicações da tecnologia. Obrigado por assistir.