¿Qué es un Biorreactor?
Los biorreactores pertenecen al sector de la biotecnología. Se refiere a los sistemas que utilizan los mecanismos de los cambios químicos en los organismos vivos causados por enzimas y células para producir sustancias de utilidad industrial, etc., y se utiliza ampliamente en alimentación, agricultura, industria, medicina, análisis y otros campos.
Aunque las reacciones in vivo tienen el inconveniente de ser más lentas que las reacciones químicas, presentan otras ventajas, como un menor número de subproductos y la ausencia de pérdida de actividad catalítica, además de ser superiores en términos de coste, ya que pueden llevarse a cabo sin someterlas a altas temperaturas y presiones, lo que elimina la necesidad de preparar equipos resistentes a la presión y al calor.
Usos de los Biorreactores
Los seres humanos han utilizado biorreactores desde la antigüedad. Entre ellos se encuentran el miso, la salsa de soja, el sake y el vino, que se producen por la reacción de la levadura y el fermento con las materias primas, como la soja, el arroz y el zumo de frutas.
En los tiempos modernos, la investigación y el desarrollo de diversas tecnologías de biorreactores han progresado en función de sus características y usos. Por ejemplo, la inmovilización de enzimas (lo que las hace disponibles para su uso repetido) ha permitido la producción masiva de aminoácidos y azúcares, lo que ha llevado a su uso en la industria alimentaria, y el desarrollo de instrumentos como los autoanalizadores y los biosensores, que son instrumentos de análisis físico-químico utilizados para detectar y cuantificar sustancias.
Otras aplicaciones incluyen las reacciones que se producen en las células vegetales, las células animales como las hepáticas y las sanguíneas, los orgánulos intracelulares como las mitocondrias y los cuerpos pigmentarios, los receptores hormonales y los anticuerpos.
Principios de los Biorreactores
Los biorreactores funcionan sintetizando, descomponiendo, convirtiendo y eliminando reactivos como materias primas con enzimas inmovilizadas y otros elementos de reacción bajo temperatura, pH y presión controlados y regulados, para obtener el producto deseado.
Además de enzimas purificadas, se utilizan células y microorganismos como elementos de reacción. Los elementos de reacción pueden inmovilizarse mediante un método de unión a un portador en el que se unen a un portador insoluble, un método de reticulación en el que los elementos de reacción se reticulan entre sí, o un método de inclusión utilizando un agente de inclusión. La inmovilización del elemento de reacción facilita su separación de la sustancia producto. También existen métodos en los que los elementos de reacción se suspenden sin inmovilización.
En los biorreactores, los métodos de aireación, agitación, mezcla y control de la temperatura de reacción difieren mucho en función de si la reacción se lleva a cabo en estado líquido o sólido. Por ejemplo, si los elementos de reacción son organismos aerobios, es necesaria la aireación, por lo que se utiliza un método de aireación y agitación, o se selecciona un método de aerotransporte, en el que las burbujas de aire ascienden desde un tubo de tiro situado en el interior del recipiente. En el caso de los organismos fotosintéticos, es necesario aportar al líquido materia orgánica disuelta, sales inorgánicas como nitrógeno y fósforo, vitaminas y otras sustancias biológicamente activas, así como luz.
En el caso de los microbiorreactores utilizados para el análisis, a veces se utilizan recipientes del orden de unos pocos µl, y la temperatura y el volumen del líquido deben estar más controlados para evitar errores de medición.
Síntesis de Sustancias Ópticamente Activas Mediante Biorreactores
Los biorreactores también se utilizan con frecuencia para la síntesis de sustancias ópticamente activas. Los biocatalizadores se encuentran entre los catalizadores más utilizados para la síntesis de sustancias ópticamente activas. Las ventajas de utilizar biocatalizadores incluyen las siguientes características.
- Muchos de ellos muestran una excelente actividad catalítica en entornos que nos resultan fáciles de manejar: temperatura normal, presión normal y pH cercano al neutro.
- Las reacciones selectivas se producen sólo en sitios específicos del compuesto. Generalmente, se producen pocos subproductos y cabe esperar reacciones con altos rendimientos.
- La especificidad del sustrato permite que las reacciones se lleven a cabo sólo en compuestos específicos, incluso si están presentes múltiples compuestos. Incluso si se utilizan compuestos racémicos, es posible reaccionar sólo con el cuerpo R o con el cuerpo S.
- En muchos casos, la reacción se lleva a cabo en agua, por lo que no hay que preocuparse por la deshidratación o la desgasificación.
- Los grupos funcionales son altamente selectivos, lo que permite reducir únicamente cetonas en presencia tanto de cetonas como de aldehídos, o hidrolizar nitrilos selectivamente en presencia de ésteres.
Aplicaciones de los Biorreactores en Medicina Regenerativa
En el campo de la medicina regenerativa, los biorreactores pueden utilizarse para cultivar de forma eficiente grandes cantidades de células.
Las células madre pluripotentes, como las células ES e iPS, están atrayendo la atención como fuente celular importante en medicina regenerativa debido a su capacidad proliferativa ilimitada y su multipotencia. En particular, se espera que las células iPS se apliquen en diversos ámbitos, ya que se enfrentan a menos obstáculos éticos que las células ES. Por otro lado, para utilizar estas células en medicina regenerativa, se necesita un suministro estable de entre 1.000 y 10.000 millones de células. Un punto importante en los sistemas de cultivo flotante 3D es cómo mantener la uniformidad en la composición del medio de cultivo y la concentración de oxígeno en el medio. La velocidad de agitación es importante en este caso. Una agitación excesiva puede causar estrés físico en las células. Esto es especialmente inadecuado para el cultivo de células iPS, que son propensas a la apoptosis en células individuales. Por otro lado, se espera que una agitación a baja velocidad provoque una fusión inespecífica entre las células y la sedimentación de agregados celulares, lo que puede reducir significativamente la eficiencia del cultivo. Para resolver estos problemas, se está investigando el desarrollo de biorreactores que sean menos estresantes para las células y mantengan una agitación más uniforme.