¿Para qué multiplicar células en un bote?
Un proyecto de la UPCT pretende revolucionar el desarrollo de tecnologías para la producción de células vegetales en biorreactor
Un recipiente en el que se mantienen las condiciones ambientales adecuadas (temperatura, pH, concentración de oxígeno disuelto, etc.) para que en su interior sea posible hacer crecer células, tejidos o en llevar a cabo un proceso químico que involucra organismos o sustancias bioquímicamente activas. Ese 'Santo Grial', que da vida y podría parecer algo de ciencia ficción, se conoce como biorreactor o fermentador. Los orígenes de esta tecnología, tal y como se utiliza hoy en día, se remontan a la Primera Guerra Mundial por la necesidad de producción de ácido cítrico en ese momento. Otro ejemplo de hito en la tecnología de fermentación en el campo de la biotecnología procede de la Segunda Guerra Mundial y la necesidad de producir a gran escala antibióticos. Es el caso de la penicilina, hito que aportó mejoras y un mayor conocimiento en los procesos biotecnológicos. No en vano, no solo en las guerras evolucionan los biorreactores. Precisamente ahora suponen un nicho tecnológico emergente, por la necesidad de disminuir el consumo de plástico y sustituirlo por papel y madera, lo que requiere producciones de millones de árboles al año.
El biorreactor o fermentador es el corazón de cualquier bioproceso. Se trata de un elemento presente en áreas como la Biología, la Química, la Bioquímica o la Medicina, entre otras. Recientemente se ha oído mucho sobre ellos dado que han sido un elemento clave en la fabricación de algunas de las vacunas contra el coronavirus. En concreto, los fabricantes de AstraZeneca han descrito su producción como «un proceso de producción biotecnológica». Dado que los virus son partículas y no son capaces de replicarse por sí solos, sino que precisan de células huésped para hacerlo, la primera etapa de la obtención de la mencionada vacuna implica hacer crecer el adenovirus dentro de líneas celulares renales humanas en grandes biorreactores industriales, los cuales pueden tener una capacidad de hasta 2.000 litros en el caso de producción de células de mamífero.
Aunque la necesidad de obtener una vacuna contra la Covid-19 ha despertado el interés de la sociedad acerca de su proceso de fabricación, lo cierto es que 'per sé' no se trata de algo novedoso. La obtención de vacunas virales utilizando líneas celulares es algo habitual. Así, las vacunas contra la rubeola, la rabia, la varicela, la polio, el rotavirus o la hepatitis A, entre otras, se producen desde hace décadas por este método. Lo que sí es cierto y remarcable es que la necesidad de nuevas vacunas debido a la pandemia originada por la Covid-19 ha acelerado otro hito biotecnológico por la aprobación de vacunas basadas en ARN, en cuya producción también está implicado un biorreactor.
Los biorreactores suponen un nicho tecnológico emergente, por la necesidad de disminuir el consumo de plástico y sustituirlo por papel y madera
En la Región de Murcia, ubicada en el Parque Tecnológico de Fuente-Álamo, se encuentra BIONET, una empresa dedicada –según dice su página web– «a la fabricación de equipos de laboratorio, piloto e industrial para el sector biotecnológico, centrada en biorreactores/fermentadores y sistemas de filtración tangencial, así como proveedor de servicios de ingeniería y desarrollo de proceso relacionados con los bioprocesos para empresas que desean producir biomasa o biomoléculas, mediante fermentación microbiana o mediante procesos de cultivo celular», es decir, entre sus múltiples servicios se encuentra el desarrollo y fabricación de biorreactores para la producción de microorganismos como bacterias, levaduras, hongos y células animales o de insectos.
Allí trabaja Fuensanta Verdú, estudiante de doctorado industrial de la Universidad Politécnica de Cartagena, cuya tesis doctoral se desarrolla en la empresa bajo un contrato de la Cátedra UPCT- BIONET. «El objetivo es desarrollar una línea de investigación para biorreactores o fermentadores dedicados a células vegetales. Mi tesis busca caracterizar y optimizar el crecimiento de células vegetales en biorreactores porque son un término medio entre células de bacterias y las de animales», dice.
Y explica: «El cultivo de células bacterianas en biorreactores es más sencillo. Este tipo de células crecen rápido, son más resistentes y normalmente no tienen muchos requerimientos especiales. Sin embargo, debido a su maquinaria celular más simple, en ciertos casos no son válidas para producir determinadas biomoléculas biológicamente activas como proteínas más complejas, que den lugar a vacunas o ciertos metabolitos de interés. Por el contrario, las células animales sí serían válidas para la fabricación de tales productos, pero su cultivo es más costoso: su crecimiento es más lento, son más susceptibles a contaminación, y sus requerimientos suelen ser mayores que los de las células bacterianas. Las células vegetales estarían en medio: son capaces de producir una gran variedad de proteínas y metabolitos de interés que las células bacterianas no pueden y a su vez, no son tan delicadas como las células animales».
Vacunas
Asegura la investigadora que son numerosas las empresas que demandan biorreactores para realizar, entre otros propósitos, 'embriogénesis somática' (un proceso que permite pasar de células vegetales desdiferenciadas a embriones que darán lugar a plantas completas, similar a las semillas, para su producción en masa).
Según Fuensanta Verdú, «todas las células vegetales pueden desdiferenciarse completamente y actuar como las células madre animales, es decir, como células totipotentes. Esto significa que tienen la capacidad de convertirse en cualquier tipo de célula, lo que les permite generar una planta completa, una semilla, un embrión, etc. En definitiva, es muy interesante desde el punto de vista de la multiplicación vegetal».
El interés del trabajo desarrollado por Fuensanta Verdú radica en el hecho de que investiga sobre una planta modelo. La 'Nicotianabenthamiana', ya empleada como organismo modelo en estudios de las relaciones planta-patógeno y que ahora está en auge porque hay quien la utiliza de base para desarrollar procesos para producir vacunas contra la Covid-19, entre otras vacunas.
¿Cómo se usan las plantas y cómo se usaría el biorreactor para la producción de vacunas?
Para poder emplear una planta u otro tipo celular en la producción de una vacuna hay que hacer líneas transgénicas en las que se expresa en gen o genes que codifican los antígenos utilizados. Posteriormente, se toman las hojas y se procesan para aislar las proteínas o el RNA elegido.
Entre otras cosas, es necesario dejar que la planta crezca y eso ya marca unos determinados tiempos que no se pueden acelerar. Asimismo, existe el riesgo de que se pueda contaminar. No es lo mismo el nivel de asepsia requerido para producir tomates en invernadero que para producir una proteína que se quiere inyectar en un paciente.
Estos problemas desaparecen si se consigue trabajar con células vegetales en un biorreactor ya que ocupan poco espacio y en cada uno se pueden generar millones de células; se trata de un espacio estanco y aséptico. Esto permite obtener directamente células vegetales y conseguir que expulsen la proteína o el ARN hacia el líquido y solo filtrando se podrían producir vacunas. Y además se podría trabajar en modo continuo, para aumentar la productividad del proceso, sin esperar a que las plantas crezcan y se genera apenas residuo.
«Existen bastantes estudios sobre la planta completa como modelo para producción de proteínas y metabolitos de interés. De hecho, se ha utilizado para desarrollar una vacuna con éxito contra el virus del Ebola. Además, se está empleando para producir a través de ella algunos de los ingredientes de las vacunas contra la Covid-19. Sin embargo, apenas hay datos científicos acerca de su cultivo en biorreactor para producir compuestos de interés. Pero lo realmente interesante sería llevar a cabo producción en biorreactor, ya que aceleraría muchísimo el proceso», indica Verdú quien pretende realizar la caracterización de 'Nicotianabenthamiana' para poder trabajar con ella en biorreactores.
Asimismo, de la mano del grupo de Genética y Biología Vegetal de la Universidad Politécnica de Cartagena, hará estudios sobre cómo afectan las condiciones de cultivo y estrés al crecimiento celular y a la producción de proteínas y otros compuestos de interés.
En concreto, el proyecto en que trabaja la doctoranda de la UPCT va a consistir en: con cultivos de la especie 'Nicotianabenthamiana' establecidos anteriormente en condiciones in vitro, realizar primeramente ensayos de cultivo de células en medio líquido en matraces. De esta forma, se busca optimizar el medio de cultivo a pequeña escala para aumentar el rendimiento. Tras esto, se procederá con el cultivo de las células en el biorreactor, donde se controlarán las condiciones de cultivo, como son aireación, temperatura, pH, oxígeno disuelto. En este punto también se buscará encontrar las condiciones óptimas para el cultivo, para aumentar al máximo el rendimiento. Asimismo, se someterán los cultivos a determinadas condiciones para que se dé lugar a la embriogénesis somática; observando y determinando cuáles son las mejores condiciones para que este proceso tenga el mayor éxito posible. Con los resultados que se obtengan de estos experimentos, se podrán asentar las bases para poder realizar esta clase de cultivos con otras especies vegetales. De forma que se pueda dar asesoramiento a posibles clientes que estén interesados en este tipo de cultivos celulares.
En definitiva, con los resultados obtenidos, se espera lograr un posicionamiento competitivo a nivel nacional e internacional del desarrollo científico en la UPTC y de la empresa Bionet en el desarrollo de tecnologías para la producción de células vegetales en biorreactor.
¿Cómo una sola célula vegetal puede dar lugar a una planta completa?
Todas las células vegetales (da igual de donde se aislen: polen, tallo, hojas...) poseen una capacidad denominada totipotencia la cual les otorga el poder de, en el medio adecuado, con las hormonas pertinentes, modificar su morfogénesis, dando lugar a células madre, raíces, tallos, etc. Esto se debe a que cuando se diferencian, es decir, cuando pasan de ser una célula embrionaria a una más especializada, no les ocurre como a las células animales, cuya desdiferenciación requiere la coexpresión de varios genes y tiene un nivel de éxito de menos de una de cada mil células. En el caso de las células vegetales, sí pueden hacerlo y diferenciarse en otra, sea cual sea.
Así pues, la gran ventaja de las especies vegetales es que de esa masa de células, dependiendo de los productos con los que se traten, seguirán unas instrucciones u otras y se convertirán en una célula u otra. Es posible, incluso, que pasen a ser un embrión (semilla sin cáscara) que daría lugar a una planta si se trasplanta al suelo. En general, se trata de un método muy efectivo de multiplicado vegetal a gran escala.
Todos esos procesos se pueden llevar a cabo mediante diferentes técnicas, de hecho, los primeros pasos suelen ser in vitro, en placas o matraces. No en vano, si se opta por generar esas células en biorreactores, se optimiza el proceso dado que algunos parámetros se controlan mejor. Además, permite operar en modo continuo, lo que significa que constantemente se pueden añadir medios de cultivo y por tanto aumentar el rendimiento y la producción.
