Visão geral da Engenharia de Bioprocessos

A engenharia de bioprocesso 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 uma proteína ou produto específico. As células são então cultivadas em larga escala para produzir o produto que é posteriormente purificado usando processos a jusante, como a cromatografia. Este vídeo introduzirá 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 do produto. Primeiro, o organismo é selecionado, 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 paralelos desnecessários. As células modificadas são cultivadas em grande escala chamada processo upstream. Uma técnica a montante comum é uma cultura de suspensão, que usa um bioreator de vasos para crescer a cultura celular. A cultura é expandida e a densidade celular aumenta, passando para volumes maiores e maiores. Uma vez que a cultura atingiu o volume desejado, a proteína do produto é colhida das células, seja através da 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 de 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 do interesse. O produto final purificado é então liofilizado, ou congelado, para estabilizar a proteína para armazenamento. Os bioprocessos típicos são primeiro projetados em escala de laboratório, depois dimensionados até a escala piloto, antes de uma escala adicional para a fabricação. Agora que introduzimos um bioprocesso básico, vamos dar uma olhada em alguns métodos proeminentes no campo.

A cultura das células mamíferas é mais frequentemente utilizada na produção industrial de terapêuticas proteicas recombinantes. As células de ovário de hamster chinês, ou células CHO, são um dos tipos de células mais comuns usados. Ao contrário das células bacterianas, as células mamíferas são capazes de fazer modificações pós-translacionais complexas em proteínas. Estas modificações são mudanças estruturais ou químicas feitas na proteína depois de traduzida no ribossomo. Isso é essencial para produzir estruturas complexas necessárias para proteínas terapêuticas. A cultura das células mamíferas 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 na tesoura devem ser minimizados. Também é necessário um ambiente homogêneo bem controlado, com rigoroso controle de pH e temperatura e rápida remoção de produtos tóxicos. Os processos industriais são dimensionados para produzir um alto volume do produto. A escala não é tão fácil quanto simplesmente aumentar proporcionalmente o volume e, portanto, o tamanho do equipamento. É utilizado um fator de escala, que é a razão do fluxo de massa da unidade em larga escala para a unidade piloto. Fatores de escala são usados para determinar o tamanho de reatores de tanques geometricamente semelhantes. Por exemplo, como escalas de volume, com o fator de escala S, o diâmetro do tanque balança com S para o 1/3. Isso se deve às limitações de transferência de massa e calor com o maior volume do tanque.

A fabricação de produtos biológicos utiliza organismos vivos, suscetíveis à contaminação. 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 produtos medicamentosos, que são fortemente regulados 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 regulação, embora essencial para garantir um produto final seguro, resulta em restrições adicionais ao processo de engenharia. Limitações estritas são colocadas em parâmetros, como reagentes admissíveis, contaminantes e concentrações.

Agora que você já viu algumas das técnicas e desafios comuns no bioprocessamento, vamos dar uma olhada em algumas aplicações do mundo real. Ao contrário de pequenas moléculas, como aspirina e acetaminofeno, muitas drogas complexas são proteínas recombinantes e são feitas através de bioprocessamento. A terapêutica de proteína recombinante aumentou rapidamente nos últimos 25 anos, com dezenas de terapias-alvo. Aids, câncer, doenças infecciosas, cicatrização de feridas, distúrbios nutricionais, acidente vascular cerebral e choque séptico são apenas algumas das áreas onde 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 da hidrólise enzimática e fermentação com levedura. Este bioprocesso é realizado na escala de fabricação, a fim de produzir grandes quantidades de etanol para energia alternativa.

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