Biotecnologie: tipologie di bioreattori e loro applicazioni

Giunti alla fase stazionaria di crescita si interviene su due livelli: il tipo di bioreattore e la composizione/condizione del mezzo di coltura. Il primo parametro ci consente di calibrare la coltura verso una produzione adeguata di princìpi attivi. A seconda del tipo di bioreattore e delle condizioni di crescita che questo impone si distinguono:
- Bioreattori a ciclo chiuso: le cellule dell'inoculo vengono fatte crescere fino al raggiungimento della fase stazionaria di crescita, il terreno resta sempre uguale ed il sistema rimane chiuso; in questo modo le cellule cominciano da sole a produrre metaboliti secondari, poiché avvertono come elemento sufficiente di stress la mancanza di uno dei loro nutrienti. Le cellule vengono mantenute in un sistema chiuso a produrre metaboliti secondari per un determinato arco di tempo, che varia da pochi giorni fino ad un'intera settimana - 15 giorni; trascorso questo tempo, il sistema viene aperto ed i metaboliti secondari estratti dal terreno e dalle cellule (alcuni metaboliti restano intrappolati nel vacuolo mentre altri vengono immessi nell'ambiente).
- Bioreattori a ciclo semicontinuo: ciclo adattato a quelle tipologie colturali che hanno bisogno di ulteriori elementi di stress, oltre alla mancanza di fattori nutrizionali e di crescita del terreno. Si dice semicontinuo perché già a metà della crescita esponenziale le cellule cominciano a produrre metaboliti secondari; ciò probabilmente è dovuto ad un cambiamento nel terreno di coltura, ad esempio per la massiccia estrusione di un catabolita secondario di rifiuto, tossico per le cellule e pertanto elemento di stress. A questo punto si effettua un prelievo del 50% della massa cellulare dal bioreattore, con un 50% di terreno di coltura; da questo prelievo vengono quindi estratti i diversi princìpi attivi.

Al bioreattore in cui è racchiusa la rimanente percentuale di cellule e mezzo di coltura viene aggiunta un'equivalente aliquota di terreno nuovo, così da consentire alle cellule di riprendere dal tempo zero una fase esponenziale di crescita. In questo caso il sistema viene aperto quando le cellule sono ancora in fase esponenziale. Il bioreattore si definisce "semicontinuo" perché da esso vengono estratti ad intervalli regolari piccole, ma sufficienti, quantità di princìpi attivi.

Il sistema di crescita chiuso o semicontinuo viene scelto in base alla capacità produttiva della tipologia cellulare, vi sono cellule che producono più metaboliti con un determinato sistema di crescita piuttosto che con un altro.
- Bioreattori a ciclo continuo: sono i più utilizzati, i più moderni ed ingegnerizzati. Essi consentono alla coltura di raggiungere la fase stazionaria di crescita; a questo punto vengono prelevate in continum piccolissime aliquote di cellule e terreno ad intervalli di tempo regolari e ravvicinati; l'esiguo prelievo consente al callo di rigenerare lo stesso numero di cellule che è stato allontanato, mentre il terreno prelevato viene rimpiazzato con uno nuovo. In questo modo le cellule sono mantenute in equilibrio sul filo della produzione di princìpi attivi; un filo che rappresenta l'ottimizzazione in termini di qualità e quantità della produzione di princìpi attivi. Questo prelievo costante e continuo, così come l'aggiunta di terreno nuovo, è monitorato in modo automatizzato da chemostati e turbostati. Il chemostato è l'apparecchiatura deputata al monitoraggio delle condizioni di coltura, come il pH e gli elementi nutrizionali costitutivi del terreno; quando questi non sono sufficienti l'apparecchiatura interviene immettendo i mezzi correttivi. I turbostati, invece, misurano la densità ottica della coltura, che è direttamente proporzionale alla quantità di cellule; quando questa raggiunge un valore di soglia massima ne viene prelevata una piccola quota, in seguito sottoposta ad estrazione dei princìpi attivi.
- Bioreattori a cellule immobilizzate: modalità affine alla tipologia a ciclo chiuso, tuttavia se ne differenzia nel momento in cui, accertata la capacità della coltura cellulare di produrre metaboliti secondari, vengono immessi nel bioreattore, che rimane chiuso, composti gelatinizzanti o supporti solidi. Tali supporti permettono alla coltura in sospensione di divenire coltura solida sempre all'interno di un bioreattore, dove le cellule sono in forma di microaggregati ugualmente a contatto col terreno di coltura, quindi ugualmente sensibili agli stimoli del terreno. Per determinate colture cellulari appartenenti a determinate specie vegetali il supporto solido rappresenta infatti uno stimolo meccanico capace di indurre una sensibile differenzazione morfologica e funzionale; in altre parole, le cellule cominciano, seppur lentamente, a differenziarsi in tessuti organizzati; un differenziamento morfo/fisiologico macro o microscopico corrisponde il più delle volte ad un differenziamento metabolico. In conclusione, l'immobilizzazione delle colture può favorire la produzione di composti secondari.


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Ultima modifica dell'articolo: 24/12/2015