Vamos imaginar uma fábrica capaz de produzir desde as vacinas que salvam milhões de vidas até novos materiais que podem substituir o plástico poluente, tudo isso com operários microscópicos. Você já se perguntou onde esses microrganismos “trabalham”? A resposta está em uma das ferramentas mais importantes da biotecnologia: os biorreatores. Hoje, vamos explorar como essas máquinas funcionam e por que são essenciais para diversos projetos de pesquisa, como o projeto BEYOND do LEBIMO na Unicamp.
Afinal, o que são os biorreatores?
Um biorreator — também chamado de reator biológico — é como uma “cozinha de alta precisão” que utiliza microrganismos. Trata-se de um equipamento robusto, geralmente de formato cilíndrico, no qual é possível controlar rigorosamente o ambiente para que bactérias, fungos ou células animais consigam viver e se multiplicar. É nesse ambiente milimetricamente ajustado que essas células se transformam em verdadeiras “fábricas” biológicas, produzindo vacinas, hormônios, remédios, biofertilizantes, bebidas alcoólicas, probióticos, etanol e diversos outros bioprodutos.
Existem diversos tipos de biorreatores que variam em tamanho e complexidade. Alguns utilizados em laboratórios podem ter capacidade de apenas 1 litro, enquanto outros, utilizados em grandes processos industriais, podem conter até 15 mil litros. A principal função dos biorreatores é otimizar um bioprocesso. Para isso, estes controlam as condições em que as células ou microrganismos presentes ali se reproduzem e/ou geram bioprodutos. Enquanto os biorreatores laboratoriais são utilizados para testes, experimentos, desenvolvimento de protocolos e métodos, e otimização dos bioprocessos, os grandes biorreatores industriais são usados para escalonar a produção dos bioprodutos.
O desenvolvimento de biorreatores representou um grande avanço para a biotecnologia em geral. As principais vantagens destes são a capacidade de automatizar e o monitoramento constante do bioprocesso utilizando softwares integrados. Tudo isso permite que as chances de contaminação (outro organismo crescer junto e competir por recursos ou alguma substância indesejada estar no meio) sejam bastante reduzidas, o que garante uma confiança muito maior nos experimentos em laboratório e maior segurança na produção industrial.
Que tipos de condições um biorreator pode controlar?
- Temperatura: um dos fatores mais importantes para o crescimento de seres vivos; cada microrganismo ou célula tem uma temperatura ideal para crescimento; por exemplo, células humanas crescem muito bem entre 36-37 graus enquanto fungos da Antártida precisam de baixas temperaturas para conseguir crescer;
- pH: similar a temperatura, cada microrganismo possui um pH ótimo para crescer; alguns preferem ambientes mais ácidos, outros mais básicos;
- Pressão: refere-se a pressão do ar dentro do reator, simulando a pressão da atmosfera;
- Oxigenação: quantidade disponível de oxigênio; isso é importante pois enquanto microrganismos anaeróbios não precisam de oxigênio para crescer (podendo até morrer na presença deste), aqueles que são aeróbios podem necessitar de diferentes quantidades de oxigênio;
- Agitação: a velocidade em que o biorreator agita o líquido interno em que tudo está, com o propósito de manter o mais homogêneo (isto é, misturado) possível; uma maior agitação pode impactar o crescimento e a forma dos microrganismos, enquanto uma agitação menor pode impedir que os nutrientes sejam misturados de forma homogênea;
- Viscosidade: a depender da quantidade de microrganismos e substâncias secretadas, o líquido onde tudo está pode se tornar mais ou menos viscoso; isso é importante pois uma maior viscosidade dificulta que os microrganismos e células entrem em contato com os nutrientes que precisam (como o oxigênio);
- Meio de cultura: o meio contendo todos os nutrientes (açúcares, sais, lipídeos, aminoácidos) necessários para o crescimento das células, bactérias, fungos e leveduras;
- Tamanho do inóculo: quantidade inicial do microrganismo ou célula para começar o processo de crescimento destes; um inóculo muito pequeno pode demorar muito para crescer e chegar a uma quantidade boa para a produção; um inóculo muito grande pode consumir recursos em excesso;
- Aditivos: outras substâncias que podem ser necessárias ao crescimento de espécies específicas, ou que estejam sendo utilizadas para testar condições de crescimento diferentes;
E quanto aos fungos filamentosos? Como eles crescem nos biorreatores?
Os microorganismos podem crescer em dois principais tipos de “ambientes”: as famosas “placas de Petri” – as plaquinhas de vidro que vemos em muitos filmes – e em biorreatores. No caso dos fungos filamentosos de que temos falado nas últimas semanas, a forma como crescem varia de um ambiente para outro. Quando utilizamos placas de Petri, eles crescem e cobrem toda a extensão da placa, formando aquela aparência de mofo que conhecemos.
Já nos biorreatores, esses fungos podem formar uma estrutura chamada de pellet, uma “bolinha”, um aglomerado de células fúngicas com alguns poucos milímetros. Ainda assim, os fungos filamentosos podem se organizar de diversas outras formas: redes dispersas, aglomerados mais frouxos, os próprios pellets e misturas de todas essas formas; com cada uma dessas organizações tendo vantagens e desvantagens. Apesar de o pellet não ser a única forma como esses fungos podem se organizar dentro de um biorreator, nosso foco será este, por ser o mais utilizado no projeto BEYOND do LEBIMO.
Um dos motivos dessas diferenças de organização celular, entre outros fatores, é a movimentação do meio de cultura promovida pelo biorreator, levando as células fúngicas a se agregarem em formato esférico. Contudo, a velocidade e frequência da “agitação” não são as únicas condições que influenciam a formação e o tamanho de um pellet. Os outros fatores mencionados anteriormente também terão peso nessa formação.
A estrutura de um pellet pode ser dividida em duas regiões principais: zona interna e zona externa. A primeira é o miolo do pellet, uma região em que as hifas estão densamente empacotadas, e onde há pouco ou nenhum oxigênio disponível para as células respirarem. A segunda é a parte externa do pellet, formada principalmente pelas pontas das hifas dos fungos (ou “cabelinhos” destes), onde ocorrem tanto as trocas gasosas quanto a absorção de nutrientes e a secreção de moléculas ou bioprodutos de interesse.
É melhor que os fungos se organizem nessa forma esférica?
Um ponto importante a considerar durante o crescimento dos pellets nos biorreatores é a quantidade de pontas de hifas (os “cabelinhos”). Como comentado, as pontas das hifas são as partes responsáveis pelas trocas gasosas e pela absorção de nutrientes pelos fungos, bem como pela secreção de substâncias de interesse — nesse contexto de bioprocessos.
Pensando nisso, no caso do fungo utilizado no projeto BEYOND pelo LEBIMO (o Aspergillus oryzae comentado em textos anteriores), quanto mais “cabelos” um pellet tiver, maior será a secreção (e, consequentemente, a produção) de proteínas recombinantes, como biofertilizantes, anticorpos e alimentos. Diversas outras pesquisas têm buscado identificar as melhores condições (e as melhores mutações nos genes dos fungos) para que os pellets se formem mais rapidamente e apresentem um maior número de pontas de hifas, otimizando a produção de bioprodutos.
Uma grande discussão na biomanufatura e na otimização de bioprocessos utilizando biorreatores é como determinar o tamanho “ótimo” do pellet. Ponto importante a ser dito é que não coloquei a palavra ótimo entre aspas à toa. Cada bioprocesso e todas as suas peculiaridades precisam de condições específicas que devem ser testadas à exaustão, até se chegar a um tamanho adequado para que o pellet produza o bioproduto de forma otimizada.
Encontrar o tamanho ótimo para essa ‘bolinha’ de fungos é um verdadeiro desafio de engenharia. Se o pellet for grande demais, o centro pode morrer por falta de oxigênio e a estrutura pode se fragmentar, o que desperdiça recursos. Se for pequeno demais, a produção torna-se lenta e cara. Atingir esse equilíbrio é o que permite transformar uma descoberta de laboratório em um produto viável e acessível para a indústria e sociedade, seja um novo medicamento ou um material sustentável.
Contudo, nem sempre controlando somente as condições em que o fungo cresce é possível fazer com que ele forme um pellet do tamanho que queremos. Muitas vezes, mesmo com as melhores condições, o crescimento pode permanecer lento ou o fungo pode apresentar alguma característica indesejada inerente, como a produção de toxinas.
Com isso em mente, chega o próximo passo nos bioprocessos: a alteração do genoma para acrescentar, remover ou modificar genes para otimizar a produção de bioprodutos. No próximo texto, falaremos da principal tecnologia utilizada hoje para isso: a CRISPR-Cas9.
| O presente trabalho foi realizado com apoio da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), Brasil. Processo nº 2025/23381-7. As opiniões, hipóteses e conclusões ou recomendações expressas neste material são de responsabilidade do(s) autor(es) e não necessariamente refletem a visão da FAPESP. |
Para saber mais:
- Cairns, T. C., Zheng, X., Feurstein, C., Zheng, P., Sun, J., & Meyer, V. (2022). A library of Aspergillus niger chassis strains for morphology engineering connects strain fitness and filamentous growth with submerged macromorphology. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 9, 820088.
- Cairns, T. C., Zheng, X., Zheng, P., Sun, J., & Meyer, V. (2019). Moulding the mould: understanding and reprogramming filamentous fungal growth and morphogenesis for next generation cell factories. Biotechnology for Biofuels, 12(1), 77.
- Deffur, C., Dinius, A., Pagel, J., Müller, H., Schmideder, S., Briesen, H., & Krull, R. (2025). Oxygen consumption in filamentous pellets of Aspergillus niger: microelectrode measurements and modeling. Biotechnology and Bioengineering, 122(2), 306-321.
- Veiter, L., Rajamanickam, V., & Herwig, C. (2018). The filamentous fungal pellet—relationship between morphology and productivity. Applied microbiology and biotechnology, 102(7), 2997-3006.
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