Overview dell'ingegneria dei bioprocessi

L'ingegneria dei bioprocessi è un campo che utilizza molte discipline ingegneristiche per produrre un prodotto specifico da organismi viventi. Tipicamente, gli organismi sono cellule geneticamente modificate che sono progettate per produrre una specifica proteina o sostanza chimica del prodotto. Le cellule vengono poi coltivate su larga scala al fine di produrre il prodotto che viene successivamente purificato utilizzando processi a valle, come la cromatografia. Questo video introdurrà un esempio di bioprocesso, esaminerà i metodi di spicco nel campo, nonché alcune sfide e applicazioni chiave della tecnologia.

Diamo un'occhiata a un esempio di bioprocesso che utilizza le cellule per produrre una proteina prodotto. In primo luogo, viene selezionato l'organismo, che può essere batterico, fungino o mammifero, a seconda della sua capacità di produrre il prodotto desiderato. Le cellule sono geneticamente modificate per massimizzare la loro capacità di produrre il prodotto e ridurre al minimo i processi collaterali non necessari. Le cellule modificate vengono coltivate su larga scala chiamata processo a monte. Una tecnica a monte comune è una coltura in sospensione, che utilizza un bioreattore a vaso per far crescere la coltura cellulare. La coltura viene espansa e la densità cellulare aumenta passando a volumi sempre più grandi. Una volta che la coltura ha raggiunto il volume desiderato, la proteina prodotto viene raccolta dalle cellule, sia attraverso la secrezione, dove le cellule sputano fuori la proteina, o per lisi, dove la cellula viene rotta per rilasciarla. Il prodotto viene quindi purificato nel processo a valle per rimuovere contaminanti come detriti cellulari e altre proteine. Un tipico processo a valle utilizza molti tipi di tecnologia in serie per purificare e concentrare il prodotto. La filtrazione viene spesso utilizzata prima per rimuovere detriti cellulari e particolato di grandi dimensioni. La cromatografia è un'altra tecnologia utilizzata per isolare e concentrare la proteina di interesse. Il prodotto finale purificato viene quindi liofilizzato, o liofilizzato, per stabilizzare la proteina per la conservazione. I bioprocessi tipici vengono prima progettati su scala di laboratorio, quindi scalati su scala pilota, prima di ulteriori ridimensionature per la produzione. Ora che abbiamo introdotto un bioprocesso di base, diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti nel campo.

La coltura cellulare di mammiferi è più spesso utilizzata nella produzione industriale di terapie proteiche ricombinanti. Le cellule ovario di criceto cinese, o cellule CHO, sono uno dei tipi di cellule più comuni utilizzati. A differenza delle cellule batteriche, le cellule di mammifero sono in grado di apportare complesse modifiche post-traduzionali alle proteine. Queste modifiche sono cambiamenti strutturali o chimici apportati alla proteina dopo che è stata tradotta nel ribosoma. Questo è essenziale per produrre strutture complesse che sono necessarie per le proteine terapeutiche. La coltura cellulare di mammiferi richiede attente considerazioni durante la crescita, poiché le cellule sono più sensibili delle cellule batteriche. È necessaria un'aerazione efficace. Tuttavia, i danni da taglio devono essere ridotti al minimo. È inoltre necessario un ambiente omogeneo ben controllato, con un rigoroso controllo del pH e della temperatura e una rapida rimozione dei prodotti tossici. I processi industriali sono scalati per produrre un elevato volume del prodotto. Lo scale-up non è così facile come semplice aumentare proporzionalmente il volume e quindi le dimensioni dell'apparecchiatura. Viene utilizzato un fattore di scala, che è il rapporto tra il flusso di massa dell'unità a grandezza reale e l'unità pilota. I fattori di scala vengono utilizzati per determinare le dimensioni dei reattori a serbatoio geometricamente simili. Ad esempio, quando il volume scala, con il fattore di scala S, il diametro del serbatoio scala con S a 1/3. Ciò è dovuto alle limitazioni di massa e trasferimento di calore con il volume del serbatoio più grande.

La produzione di prodotti biologici utilizza organismi viventi, che sono suscettibili di contaminazione. Gli organismi contaminanti possono essere batteri, funghi o virus e possono derivare da personale, materiali o attrezzature utilizzati nella produzione. La contaminazione microbica introduce variabilità del prodotto e può causare la degradazione delle proteine del prodotto. Molti bioprocessi sono utilizzati per produrre prodotti farmaceutici, che sono fortemente regolati dalle agenzie governative per garantire che siano sicuri ed efficaci. Il farmaco stesso passa prima attraverso rigorosi test di laboratorio e studi clinici. Una volta che il farmaco è stato approvato, anche il processo di produzione deve essere sottoposto a esame e approvazione. La regolamentazione, sebbene essenziale per garantire un prodotto finale sicuro, comporta ulteriori vincoli sul processo di ingegneria. Rigorose limitazioni sono poste su parametri, come reagenti consentiti, contaminanti e concentrazioni.

Ora che hai visto alcune delle tecniche e delle sfide comuni nel bioprocessing, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni del mondo reale. A differenza dei farmaci a piccole molecole come l'aspirina e il paracetamolo, molti farmaci complessi sono proteine ricombinanti e sono prodotti tramite bioprocessing. Le terapie proteiche ricombinanti sono rapidamente aumentate negli ultimi 25 anni, con dozzine di terapie mirate. AIDS, cancro, malattie infettive, guarigione delle ferite, disturbi nutrizionali, ictus e shock settico sono solo alcune delle aree in cui le terapie proteiche sono offerte come terapia. Il bioprocessing viene anche utilizzato per produrre biocarburanti, come l'etanolo. L'etanolo è prodotto da materiale cellulosico, come canna da zucchero o mais. Il processo inizia con l'isolamento della cellulosa dalle materie prime, seguito dall'idrolisi enzimatica e dalla fermentazione con lievito. Questo bioprocesso viene eseguito su scala di produzione al fine di produrre grandi quantità di etanolo per l'energia alternativa.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE al bioprocessing. Ora dovresti capire il bioprocesso di base, alcuni metodi e sfide comuni, nonché le applicazioni della tecnologia. Grazie per l'attenzione.