Sistema automático de supervisão e controle de cultivos de alta densidade celular de E. coli recombinante

AUTOR(ES)
FONTE

IBICT - Instituto Brasileiro de Informação em Ciência e Tecnologia

DATA DE PUBLICAÇÃO

22/12/2011

RESUMO

Cultivos de alta densidade celular de E. coli recombinante constituem uma tecnica rapida e economica para producao de proteinas recombinantes. Por meio deste bioprocesso, sao obtidos produtos de alto valor agregado e de grande importancia na industria farmaceutica, tais como insulina, hormonios de crescimento humano e bovino, antigenos proteicos para formulacao de vacinas, enzimas, dentre outros. Entretanto, manter estes cultivos dentro das condicoes desejadas se torna um grande desafio, em funcao da dificuldade de controlar variaveis como a concentracao de oxigenio dissolvido (COD) e a concentracao de substrato nos niveis desejados. Por isso, o desenvolvimento e a implementacao de sistemas automaticos de supervisao e controle sao requisitos fundamentais para o bom desempenho de um cultivo de alta densidade. O presente trabalho teve como principais objetivos estudar estrategias de alimentacao para cultivos de alta densidade celular de Escherichia coli recombinante e desenvolver uma ferramenta computacional para suporte na execucao das estrategias escolhidas, realizando o monitoramento, controle e supervisao dos cultivos. Os cultivos em batelada alimentada realizados sob supervisao da ferramenta foram conduzidos em biorreator de 5 L, equipado com sensores de temperatura, oxigenio dissolvido, pH, pressao e biomassa (sensor que mede a concentracao de celulas viaveis a partir dos dados de permissividade), bombas peristalticas e conectado a analisador de gases. A ferramenta foi desenvolvida com os programas LabView 8.0 e MatLab 6.5, sendo a aquisicao e a comunicacao com os diferentes acessorios do biorreator realizada via compact Field Point (National Instruments). Vinte e dois cultivos em batelada alimentada com 5 diferentes clones de E. coli, BL21(D3) expressando a enzima penicilina G acilase (PGA) assim como proteinas antigenicas de Streptococcus pneumoniae (PspA3, PspA245 e PspA4Pro) e de Erysipelothrix rhusiopathiae (SpaA) foram realizados durante o desenvolvimento da ferramenta e dos estudos de estrategia de alimentacao, empregando tanto meio definido (HDF modificado) como meio complexo (ZYM-5052 modificado), tendo glicerol ou glicose como principal fonte de carbono e IPTG ou lactose como indutores. Em todos os cultivos, amostras foram coletadas para quantificar a concentracao de celulas (metodo de massa seca em filtro de 0,22m e leitura da densidade otica a 600 nm), de acidos organicos, glicose, glicerol e lactose (HPLC) e a expressao da proteina (densitometria e metodo NIPAB para a PGA) e a estabilidade de plasmideo (plaqueamento). A ferramenta SUPERSYS_HCDCR (registrada como software livre) desenvolvida, implementada e validada nos cultivos realizados, desempenha as funcoes basicas de softwares de supervisao de biorreatores, tais como: monitoramento e aquisicao de dados de pressao, temperatura, pH, COD, fracao de CO2 e de O2 nos gases de saida; estimativa em tempo real do quociente respiratorio, das velocidades de consumo de oxigenio e de producao de CO2. Esta ferramenta apresenta as seguintes funcionalidades especiais: i) controle automatico das vazoes de ar e de oxigenio de acordo com a demanda celular; ii) acionamento automatico da bomba de alimentacao ao final da batelada; iii) controle automatico da vazao de alimentacao em funcao da velocidade especifica de crescimento inferida em tempo real; iv) controle automatico da alimentacao com restricoes pela concentracao de oxigenio dissolvido; v) alarmes sonoros indicando falhas no processo; vi) envio de mensagens de falhas por email; vii) controle automatico da concentracao de oxigenio dissolvido; viii) controle de seguranca da pressao do biorreator, e ix) controle da temperatura do banho. Em relacao aos estudos das estrategias de alimentacao visando ao aumento da produtividade em biomassa em cultivos de alta densidade celular de E. coli recombinante, com o auxilio da ferramenta de supervisao desenvolvida aliada a modificacoes na composicao do meio de cultivo sintetico disponivel na literatura, foram alcancadas concentracoes celulares maiores que 150 g/L em menos de 24 h de tempo total de cultivo, levando a uma produtividade de 9,2 g/Lh, a qual e superior aos valores relatados na literatura, sem acumulo de acetato e possibilitando elevada producao da proteina recombinante.

ASSUNTO(S)

engenharia química sensor de capacitância controle de biorreatores comitê de redes neurais cultiv engenharia quimica capacitance sensor bioreactor control neural network committee recombinant escherichia coli growth phase identification high cell density cultivation

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