En laboratorios de todo el mundo se realizan cultivos de células de diversos tipos utilizados para producir compuestos con aplicaciones en las industrias de alimentos y medicamentos.
Estas técnicas de biotecnología se llevan a cabo en biorreactores, equipos donde se realiza el proceso de cultivo que propician las condiciones óptimas para el crecimiento microbiano y la obtención de productos deseados (Revista Mexicana de Ingeniería Química). Sin embargo, hasta ahora no existen herramientas comerciales que determinen el estado metabólico de los microorganismos y del cultivo en tiempo real, pues la mayor parte de la información se obtiene a partir de la correlación de mediciones fuera de línea.
Es así que los desarrollos tecnológicos y conocimientos siguen siendo insuficientes para obtener altos rendimientos, optimizar los productos de interés y desarrollar estrategias de control en tiempo real.
Con el propósito de conocer el estado fisiológico de células en línea, científicos mexicanos y franceses desarrollan en conjunto un nuevo modelo de herramientas, que incluso adapta algunas existentes, para medir en minutos el estado fisiológico de células animales y vegetales, así como cultivos.
En esta investigación de cooperación binacional se analizaron las levaduras Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces marxianus y Xanthophyllomyces dendrorhous con técnicas espectroscópicas. Los resultados que arrojó permitieron obtener mediciones en cuestión de minutos del estado de los cultivos, a partir de los cuales se pudieron tomar decisiones a fin de obtener los efectos deseados.
El proyecto “Espectroscopía para la evaluación y el control en tiempo real del estado fisiológico de células biológicas (Spectre)” ha sido ejecutado en la parte mexicana por el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco A. C. (CIATEJ), el Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica A. C. (Ipicyt) y el Instituto Tecnológico de Veracruz (ITV); mientras que por Francia participan el Laboratorio de Ingeniería de Agropolímeros y Tecnologías Emergentes (IATE), de la Universidad de Montpellier; el Laboratorio de Ingeniería de Sistemas Biológicos y Procesos, del Instituto Nacional de Ciencias Aplicadas (INSA) de Toulouse; el Laboratoire Réactions et Génie des Procédés, del Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) en Nancy, y la empresa Ondalys.
Forma parte de los 173 proyectos de investigación financiados por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) y la Agencia Nacional de Investigación (ANR) de Francia, de los cuales 44 impactan en las áreas de biología, medicina y salud, según estadísticas del Portal Franco Mexicano para la Investigación y la Innovación.
De células y cultivos
El proyecto surge en el IATE de la Universidad de Montpellier como extensión de una investigación realizada hace unos años —en colaboración con la empresa Ondalys— para desarrollar un sistema de control en líneas de cultivos con levaduras, y recientemente se deseaban ampliar el espectro de acción en otros tipos de células.
Fue así que se involucró a otros grupos de investigación franceses y mexicanos para trabajar con nuevos sistemas celulares y efectuar un control matemático del proceso. La colaboración con México surgió con la doctora Anne Gschaedler, investigadora del CIATEJ, por sus trabajos previos con la levadura Kluyveromyces marxianus que produce enzimas de interés industrial, como la fructanasa, utilizada para hidrolizar los fructanos de agave.
Responsable de este proyecto binacional en nuestro país, explica a la Agencia Informativa Conacyt que la determinación en línea del estado fisiológico de las células es importante para la comprensión y la mejora del metabolismo celular y, por lo tanto, para controlar procesos de interés.
De ahí que el proyecto Spectre combine técnicas innovadoras de espectroscopía óptica y dieléctrica para estimar y medir la biomasa instantánea y el estado fisiológico de los microorganismos durante una fermentación (principalmente de levaduras), así como células vegetales y animales en cultivo. Además, algunos participantes también utilizan la nueva técnica de espectroscopía de resolución espacial, la cual ofrece un enfoque híbrido entre la espectroscopía convencional y las imágenes hiperespectrales.
“El proyecto nos permitió entender cada uno de los sistemas, porque generamos mucha información utilizando estas técnicas espectroscópicas; ello nos permitirá a futuro utilizar estas técnicas para seguir la producción de los compuestos de interés. Este proyecto no es tanto para optimizar la producción de algo sino para entender cuáles son los factores que interfieren las células y los cultivos para controlarlos”, explica en entrevista.
Matemáticas aplicadas
Para analizar los resultados de las técnicas espectroscópicas y controlar los procesos, era imprescindible aplicar modelos matemáticos. Esta labor estuvo a cargo del doctor Alejandro Ricardo Femat Flores, investigador del Ipicyt y actualdirector general.
“La tecnología que desarrollamos es la aplicación de las matemáticas para comprender la dinámica de las células y los cultivos, tomar mediciones, controlar el proceso y coadyuvar al desarrollo de sensores”, dice.
Es así que el equipo de trabajo dirigido por el doctor Femat Flores analiza los resultados obtenidos con espectroscopía Raman y presenta el estado fisiológico de las células biológicas dentro del reactor.
Así se cuenta con información confiable y en línea para tomar decisiones en la operación del reactor, a fin de maximizar su producción.
Mayores alcances
El proyecto Spectre que está próximo a concluir —en las siguientes semanas se entregará el reporte final— tendrá un gran impacto no solo por sus resultados sino por las puertas que abre para mantener la colaboración interinstitucional entre ambas naciones.
La doctora Gschaedler, también líder del grupo de investigación de Biotecnología Industrial del CIATEJ, detalla que a través del estudio de Kluyveromyces marxianus observaron que existe un estado propicio para producir la fructanasa; derivado de este análisis se planea solicitar una patente según el Tratado de Cooperación en Materia de Patentes (PCT) entre el CIATEJ y la Universidad de Montpellier y publicar, al menos, dos artículos científicos en este tema.
Otro resultado de esta colaboración es la formación de recursos humanos, pues ambas instituciones actualmente tienen en común un estudiante de doctorado que será el vínculo para futuras líneas de investigación.
Por otra parte, se refuerza la colaboración entre el CIATEJ y el Ipicyt —ambos centros públicos de investigación— en la modelación matemática y de control del comportamiento de las levaduras.
De acuerdo con el doctor Ricardo Femat, el proyecto despliega evidencia sobre la importancia de la colaboración interinstitucional y la vinculación con el sector privado, porque la empresa francesa es la que desarrolla los sensores que se utilizaron. Asimismo, destaca la forma de financiamiento porque permite la ejecución del proyecto y fortalecer los lazos internacionales.
A través de este proyecto se formaron en México cinco estudiantes de maestría (tres de CIATEJ y dos del ITV), cuatro de ellos ya están titulados. Dos estudiantes de doctorado, uno de CIATEJ en conjunto con la Universidad de Montpellier, mientras que otro del ITV en colaboración con CIATEJ se titulará en el presente año.
Fuente: CONACYT.
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