Vue d’ensemble du génie des bioprocédés

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

La biotransformation est une méthode qui utilise des organismes vivants pour fabriquer un produit cible souhaitée. Souvent, la biotransformation renvoie à l’utilisation de bioréacteurs pour produire des produits protéiques provenant d’organismes génétiquement modifiés. Ce champ est responsable de la fabrication à grande échelle de produits biothérapeutiques ; médicaments qui sont devenues essentielles à l’amélioration de la qualité de vie pour de nombreuses maladies complexes comme le cancer, les maladies auto-immunes et le VIH/sida.

Cette vidéo mettra en place la démarche d’ingénierie pour la conception d’un système de production de protéines ciblées. Les méthodes de premier plan dans le domaine, ainsi que certains grands défis et les applications de la technologie sont également considérés.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Bio-ingénierie. Vue d’ensemble du génie des bioprocédés. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Génie des bioprocédés est un champ qui utilise plusieurs disciplines d’ingénierie pour produire un produit spécifique d’organismes vivants. En règle générale, les organismes sont des cellules génétiquement modifiées qui sont conçus pour produire une protéine spécifique de produit ou produit chimique. Les cellules sont ensuite cultivées à grande échelle pour fabriquer le produit qui est purifié par la suite en utilisant des processus en aval, telles que la chromatographie. Cette vidéo va introduire un bioprocédé exemple, revoir les méthodes éminents dans le domaine, ainsi que certains défis majeurs et les applications de la technologie.

Nous allons jeter un oeil à un bioprocédé exemple utilisant des cellules de produire une protéine de produit. Tout d’abord, l’organisme est sélectionné, ce qui peut être bactérienne, fongique ou mammifères, selon sa capacité à produire le produit désiré. Les cellules sont génétiquement modifiées afin de maximiser leur capacité à produire le produit et minimiser les processus secondaires inutiles. Les cellules modifiées sont cultivées à grande échelle appelée le processus en amont. Une technique courante en amont est une culture en suspension, qui utilise un bioréacteur de navire pour développer la culture de cellules. La culture est étendue et augmente la densité cellulaire en transition aux grands volumes. Une fois que la culture a atteint le volume souhaité, la protéine produit est récoltée dans les cellules, soit par le biais de la sécrétion, où les cellules crachent sur la protéine ou de lyse, où la cellule est cassée pour le libérer. Le produit est ensuite purifié dans le processus en aval pour enlever des contaminants tels que les débris cellulaires et autres protéines. Un processus aval typique utilise plusieurs types de technologie en série pour purifier et concentrer le produit. Filtration est souvent utilisée d’abord pour éliminer les débris cellulaires et les grandes particules. La chromatographie est une autre technologie utilisée pour isoler et de concentrer la protéine d’intérêt. Le produit final purifié est ensuite lyophilisé ou lyophilisé, pour stabiliser la protéine pour le stockage. Bioprocédés typiques sont d’abord conçus à l’échelle du laboratoire, puis transposés à l’échelle pilote, avant plus mise à l’échelle pour la fabrication. Maintenant que nous avons introduit un bioprocédé base, prenons un coup d’oeil à certaines méthodes de premier plan dans le domaine.

Culture de cellules de mammifères est plus souvent utilisée dans la production industrielle de protéines recombinantes thérapeutiques. Cellules ovariennes de hamster chinois, ou cellules CHO, sont l’un des types plus courants de cellule utilisés. Contrairement aux cellules bactériennes, les cellules de mammifères sont capables de faire des modifications post-traductionnelles complexes de protéines. Ces modifications sont des modifications structurelles ou chimiques apportées à la protéine après qu’il est traduit dans le ribosome. Cela est essentiel à la production des structures complexes qui sont nécessaires pour les protéines thérapeutiques. Culture de cellules mammifères nécessite considérations prudents pendant la croissance, comme les cellules sont plus sensibles que les cellules bactériennes. Aération efficace est nécessaire. Cependant, il faut limiter les dégâts de cisaillement. Un environnement homogène bien contrôlé est également nécessaire, avec pH stricte et contrôle de la température et une élimination rapide des produits toxiques. Procédés industriels sont mis à l’échelle en place pour produire un volume élevé du produit. Scale-up n’est pas aussi facile que de simplement proportionnellement augmenter le volume et, par conséquent, la taille de l’équipement. Un facteur d’échelle est utilisé, qui est le rapport entre le débit-masse de l’appareil à grande échelle pour l’unité pilote. Les facteurs d’échelle sont utilisés pour déterminer la taille des réacteurs de réservoir géométriquement similaires. Par exemple, comme des écailles de volume, avec le facteur d’échelle S, le diamètre du réservoir augmentent avec S au 1/3. C’est en raison des limitations de transfert masse et de chaleur avec le plus grand volume de réservoir.

La fabrication de produits biologiques utilise des organismes vivants, qui sont sensibles à la contamination. Les organismes contaminants peuvent être des bactéries, des champignons ou des virus et peuvent en découler du personnel, des matériaux ou équipements utilisés dans la fabrication. Contamination microbienne présente la variabilité du produit et peut entraîner une dégradation de la protéine de produit. Plusieurs bioprocédés sont utilisés pour produire des médicaments, qui sont fortement réglementés par des agences gouvernementales pour s’assurer qu’ils sont sûrs et efficaces. Le médicament lui-même va tout d’abord par le biais de tests de laboratoire rigoureux et des essais cliniques. Une fois que le médicament est approuvé, le processus de fabrication doivent également subir l’examen et l’approbation. Règlement, bien qu’essentiel pour garantir un produit final sain, se traduit par des contraintes supplémentaires sur le processus d’ingénierie. Des limitations strictes sont placées sur des paramètres, tels que les réactifs admissibles, des contaminants et des concentrations.

Maintenant que vous avez vu certaines des techniques communs et des défis en bioprocédés, nous allons jeter un oeil 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 biotransformation. Protéines recombinantes thérapeutiques ont rapidement augmenté au cours des 25 dernières années, avec des dizaines de thérapies ciblées. SIDA, cancer, maladies infectieuses, cicatrisation, troubles nutritionnels, accident vasculaire cérébral et choc septique sont quelques-uns des domaines où les protéines thérapeutiques sont proposés comme thérapie. La biotransformation est également utilisée pour faire des biocarburants, comme l’éthanol. L’éthanol est produit à partir cellulosiques, telles que la canne à sucre ou de maïs. Le processus commence par l’isolement de la cellulose à partir de matières premières, suivie de l’hydrolyse enzymatique et de fermentation avec de la levure. Ce bioprocédé est effectuée sur l’échelle de fabrication afin de produire de grandes quantités d’éthanol pour les énergies alternatives.

Vous avez juste regardé introduction de JoVE de biotransformation. Vous devez maintenant comprendre la base bioprocédés, certaines méthodes communes et défis, ainsi que les applications de la technologie. Merci de regarder.

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE

Applications