sistemas biológicos en la obtención de productos biofarmacéuticos y enzimas
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SISTEMAS BIOLÓGICOS EN LAOBTENCIÓN DE PRODUCTOS
BIOFARMACÉUTICOS Y ENZIMASIng. Cinthia Córdova Barrios
UNIVERSIDAD CATÓLICA DE SANTA MARÍA
FACULTAD DE CIENCIAS FARMACÉUTICAS, BIOQUÍMICAS YBIOTECNOLÓGICAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA BIOTECNOLÓGICA
ASIGNATURA: OPERACIONES UNITARIAS II
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SISTEMAS BIOLÓGICOS
Explicar y comprender la importancia de los sistemas biológicos en el diseño delDownstream Processing (DSP) para la obtención de productos biofarmacéuticos.
OBJETIVO
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SISTEMAS BIOLÓGICOS
1. Introducción
2. Definición y características.
3. Tipos
4. Importancia
5. Ventajas y desventajas: Bacterias, levaduras, hongos, célulasanimales, animales transgénicos y plantas transgénicas.
6. Bibliografía
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INTRODUCCIÓN:
Un bioproceso es una parte esencial de la industria biotecnológica, es unproceso en el que utilizan células vivas o alguno de sus componentes
para obtener un producto.
UPSTREAM DOWNSTREAM BIOPROCESO
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INTRODUCCIÓN:
Sistema biológico UPSTREAM
La biotecnología se refiere a toda aplicación tecnológica que utilice sistemas biológicos
(organismos vivos o sus derivados) para la creación o modificación de productos o
procesos para usos específicos.
SISTEMAS BIOLOGICOS
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DEFINICIÓN Y CARACTERÍSTICAS:
Es un organismo
vivo o los productosde su metabolismo..
Ser genéticamente
estable.
Eficiente nivelde expresióndel productodeseado.
Sencillez yeconomía desu cultivo.
Ser seguro.
SISTEMAS BIOLOGICOS
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TIPOS:
Bacterias: Escherichia coli
Levaduras: Saccharomyces cerevisiae
Hongos: Aspergillus sp.
Cultivo de células animales: BHK y CHO
Cultivo de células vegetales
Animales transgénicos: Cabras, ovejas, cerdos, conejos,vacas.
Plantas: Nicotiana tabacum
SISTEMAS BIOLOGICOS
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IMPORTANCIA:
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IMPORTANCIA:
Biopharmaceutical Source Biopharmaceutical Source
tPA E. coli, CHO FSH CHO
Insulin E. coli IFN-β CHO
EPO CHO
IFN-α E. coli Glucocerebrosidase CHO
IFN-γ E. coli Factor VIIa BHK
IL-2 E. coli
G-CSF E. coli
hGH E. coli
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BACTERIAS: Escherichia coli
Ventajas
Facilidad de manipulación genética.
Crecimiento rápido en mediosrelativamente simples y de bajo costo.
Su tecnología de fermentación está bienestablecida.
Altos niveles de expresión de la proteínaheterologa.
Desventajas
Las proteínas heterólogas se acumulanintracelularmente (implicancias en el DSP)
Incapacidad para realizar modificacionespost-traduccionales.
La presencia de lipopolisacárido (LPS) ensu superficie con capacidad inmunogénica.
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BACTERIAS: Escherichia coli
Most interleukins (IL-1 being an important exception)
IFN-β and -γ (most IFN-αs are unglycosylated)
CSFs TNFs
Gonadotrophins (FSH, luteinizing hormone and hCG)
Blood factors (e.g. Factor VII, VIII and IX)
EPO
ThrombopoietintPA
α1-Antitrypsin
Intact monoclonal antibodies
PROTEÍNAS CON POTENCIAL TERAPÉUTICO, GLICOSILADAS AL SERPRODUCIDAS NATURALEMTE
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BACTERIAS: Escherichia coli
DESVENTAJA
Cuerpos deinclusión
Proteína heteróloga Parcialmenteplegada.
Agregadosinsolubles
DSP CentrifugaciónLisis química de los
cuerpos deinclusión
Diálisis
Evitar suformación
Disminuir latemperatura del
crecimientobacteriano
Expresión de unaproteína de fusión
(proteína de interés+ tioredoxina)
Lisis por osmosis yadición de
enteroquinasa a laproteína de fusión
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BACTERIAS: Escherichia coli
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BACTERIAS:
Ralstonia eutropha
Ácidopolihidroxibutírico(PHB)
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CÉLULAS ANIMALES: CHO y BHK
Ventajas
Facilidad de manipulación genética.
Altos niveles de expresión de proteínasheterólogas.
Poseen la capacidad de realizarmodificaciones post-traduccionales
Desventajas
Crecimiento lento
Requiere de medios complejos.
Requiere condiciones exigentes deincubación.
Mayores costos de producción.
Susceptibles al daño físico.
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CÉLULAS ANIMALES:
CHO (Chinese HamsterOvary)
Factor VIII (Hemofilia),EPO, TPO.
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SISTEMAS BIOLÓGICOS: E.coli yCHO/BHK
Biorreactor de células microbianas Biorreactor de líneas celulares animales
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LEVADURAS: Saccharomyces cerevisiae
Ventajas
Facilidad de manipulación genética.
Crecimiento relativamente rápido en mediossencillos, de bajo costo y resistencia al daño físico.
Su tecnología de fermentación se encuentraestablecida y definida.
Son organismos GRAS (generally regarded assafe).
Poseen la capacidad de realizar modificacionespost-traduccionales.
Desventajas
Menores niveles de expresión de proteínas
heterólogas.
En ocasiones los patrones de glicosilación difieren.
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LEVADURAS: Saccharomyces cerevisiae
Trade name Description Use
Novolog Engineered short-acting Diabetes mellitus
insulin
Leukine Granulocyte Bone marrow
macrophage CSF transplantation (GM-CSF)
Recombivax, Comvax, All vaccine preparations Vaccination
Engerix B, Tritanrix- containing rHBsAg as
HB, Infanrmix, one component
Twinrix, Primavax,
Hexavax Revasc, Refludan Hirudin Anticoagulant
Fasturtec Urate oxidase Hyperuricaemia
Regranex PDGF Diabetic ulcers
PROTEÍNAS RECOMBINANTES PRODUCIDAS EN S. CEREVISIAE
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LEVADURAS:
Saccharomyces cerevisiae
Bioetanol
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HONGOS: Aspergillus sp.
Ventajas
Su tecnología de fermentación seencuentra establecida y definida.
Genera proteínas extracelulares
Poseen la capacidad de realizarmodificaciones post-traduccionales
Desventajas
Menores niveles de expresión deproteínas heterólogas.
En ocasiones los patrones de glicosilacióndifieren.
Generación de proteasas extracelulares.
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HONGOS:
Ashbya Gossypii
Vitamina B2 (Riboflavina)
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ANIMALES TRANSGÉNICOS: Cabras
Ventajas
Altos niveles de expresión de proteínas
heterólogas.
La capacidad de producción es alta.Suministro continuo.
Facilidad de manejo y cría.
Facilidad de recolección.
Baja inversión de capital.
Desventajas
Resultado negativo de la transgénesis.
La variabilidad de los niveles deexpresión
En ocasiones los patrones deglicosilación difieren.
El animal transgénico debe alcanzar lamadurez sexual.
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ANIMALES TRANSGÉNICOS:
Animales como biorreactorespara la producción de
proteínas terapéuticas.
El gen que produce la proteína
terapéutica deseada esintroducido mediante
transgénesis en la célula diana.
Por clonación se hace crecer lacélula hasta convertirla en un
animal adulto
Gene - pharming
El animal adulto puedeproducir la proteína terapéuticao el producto biofarmacéutico
en huevos y leche.
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ANIMALES TRANSGENICOS:
• Introducción de untransgen (material genético transferido) enel estadio mastemprano posible deldesarrollo del cigoto.
Microinyecciónpronuclear
• Infección de embrionescon vectores virales(retrovirus como vectordel nuevo DNA) antesde su implantación.
Retrovirus
• Fusión de células madreembrionarias con elDNA transferido,reabsorción,transformación einyección en el huésped.
Células madre
TECNICAS TRANSGENICAS
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ANIMALES TRANSGENICOS:
Biosteel
Los métodos transgénicos son rápidos, de confianza y mas baratos.Se utiliza principalmente cabras porque se reproducen mas rápidamente y son mas
baratas que el ganado vacuno, además de ser grandes productoras de leche.Las aves de corral tienen un sistema de reproducción muy eficiente, y es fácil generar
cientos de huevos en un tiempo relativamente corto.
Antitrombina
recombinante
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ANIMALES TRANSGÉNICOS:
Protein Animal species Expression level in milk (mg l 1)
tPA Goat 6000
IL-2 Rabbit 0.5
Factor VIII Pig 3
Factor IX Sheep 1000
α1-Antitrypsin Goat 20 000
Fibrinogen Sheep 5000
EPO Rabbit 50
Antithrombin III Goat 14 000 Human α-lactalbumin Cow 2500
IGF-I Rabbit 1000
Protein C Pig 1000
GH Rabbit 50
PROTEÍNAS RECOMBINANTES PRODUCIDAS EN LA LECHE DEANIMALES TRANSGENICOS
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ANIMALES TRANSGÉNICOS:
Species Annual milk yield (l) Time to first production batch (months)
Cow 6000 – 9000 33 – 36
Goat 700 – 800 18 – 20 Sheep 400 – 500 18 – 20
Pig 250 – 300 16 – 17
Rabbit 4 – 5 7
RENDIMIENTO DE LECHE Y EL TIEMPO ENTRE GENERACION DE UNEMBRION TRANSGENICO Y LA OBTENCION DEL PRODUCTO
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ANIMALES TRANSGÉNICOS:
Cabra transgénica
tPA (Activador delplasminógeno tisular)
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PLANTAS TRANSGÉNICAS: Tabaco
Ventajas
Costo bajo del cultivo.
Metodología de cosecha establecida.
Facilidad de ampliación económicamentefactible.
Proteínas expresadas en las semillas songeneralmente estables.
Los sistemas basados en plantas sonlibres de patógenos humanos.
Desventajas
Los niveles de expresión son variables.
En ocasiones los patrones deglicosilación difieren.
La presencia de metabolitos secundariosinterferentes.
Riesgo de escape accidental al medioambiente del material genético.
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PLANTAS TRANSGÉNICAS:
Tabaco
EPO
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PLANTAS TRANSGÉNICAS:
Protein Expressed in Production levels achieved
EPO Tobacco 0.003% of total soluble plant
HSA Potato 0.02% of soluble leaf protein
Glucocerebrosidase Tobacco 0.1% of leaf weight
IFN-α Rice Not listed
IFN-β
GM-CSF
Tobacco
Tobacco
0.000 02% of fresh weight
250 ng ml 1 extract
Hirudin Canola 1.0% of seed weight Hepatitis B surface antigen Tobacco 0.007% of soluble leaf protein
Antibodies/antibody fragment Tobacco Various
PROTEÍNAS RECOMBINANTES PRODUCIDAS EN PLANTASTRANSGÉNICAS
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Referencias Bibliográficas:
WALSH, G. “Pharmaceutical Biotechnology Concepts and
Applications”. John Wiley & Sons Ltd. England. 2007.
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Referencias Bibliográficas:
THIEMAN, W. y PALLADINO, M.” Introduction toBiotechnology”. Third Edition. Pearson Education. USA. 2013.
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Referencias Bibliográficas: ARGENBIO.”Por qué Biotecnología”. Consejo Argentino
para la formación y desarrollo de la Biotecnología. Argentina.2000.
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