Fundamentos de la Inmovilización de Células Completas

Varios procesos aplicados tradicionalmente se basan en el principio de las conversiones microbianas efectuadas por células unidas a superficies. El tratamiento de aguas residuales en filtros y la oxidación de etanol para producir vinagre son algunos ejemplos. La inmovilización de células es la unión de células o su inclusión en distintas fases o soportes sólidos, lo que permite el intercambio de sustratos, productos, inhibidores, etc., pero que al mismo tiempo mantiene separada la biomasa catalítica del medio líquido que contiene los sustratos y productos. Por tanto, es esperable que el microambiente que rodea a las células inmovilizadas no sea el mismo con respecto a las células libres. La inmovilización se efectúa habitualmente usando polímeros hidrofílicos de alto peso molecular como agarosa, alginato, carragenano, etc. En estos casos, las células son inmovilizadas por atrapamiento en el gel correspondiente mediante un procedimiento de goteo de la mezcla de las células con el polímero fluido sobre una solución de gelificación en condiciones asépticas. Cuando las fermentaciones tradicionales son comparadas con las conversiones usando células inmovilizadas, la productividad obtenida es considerablemente mayor, en parte debido a la alta densidad celular y a las modificaciones genéticas, fisiológicas y celulares inducidas por la inmovilización. Sin embargo, antes de elegir una metodología determinada, se debe analizar cuidadosamente algunos parámetros críticos como costo de la inmovilización, limitaciones de transporte de masa, aplicabilidad a productos finales específicos, etc. El uso de células microbianas enteras y/o organelos elimina el tiempo, las complicaciones y los procedimientos costosos de aislar y separar enzimas intracelulares. También aumenta la estabilidad de las enzimas durante una operación continua. Los sistemas de células inmovilizadas permiten la conversión de procesos en batch a un modo continuo y la mantención de una alta densidad celular sin elución de células, aún a altas tasas de dilución. La inmovilización de células metabólicamente activas se prefiere en especial cuando se necesitan cofactores para las reacciones catalíticas, ya que su aporte externo en sistemas continuos es antieconómico. Los sistemas con células unidas son más tolerantes a las perturbaciones del medio de reacción y menos sensibles a las sustancias tóxicas. También se ha reportado la alta retención de células portadoras de plásmidos, lo que amplía el ámbito de la inmovilización de células a sistemas de formación de productos recombinantes. Otra importante ventaja de la inmovilización, especialmente en el caso de células vegetales, es la estimulación de la síntesis de metabolitos secundarios y la alta excreción de metabolitos intracelulares.

Aplicaciones y Desafíos de la Inmovilización Celular

Básicamente, la inmovilización de células vivas es muy similar a la inmovilización de enzimas. Durante varios años se han inmovilizado varios tipos de células: bacterias, levaduras, hongos, tejidos de vegetales y tejidos de insectos. Sin embargo, estos intentos han tenido éxito en pocos casos. Uno de los problemas es la resistencia a la transferencia de masa, debido a que el sustrato debe difundir hacia el sitio de reacción y a que los productos inhibitorios o tóxicos deben ser eliminados del ambiente. La transferencia de oxígeno es frecuentemente el paso limitante en los cultivos con células en suspensión y lo es más en un cultivo con células inmovilizadas. La oxigenación en un cultivo de células inmovilizadas es uno de los mayores problemas técnicos que todavía queda por resolver. En vista de los problemas de oxigenación, las técnicas de inmovilización se han enfocado principalmente a los procesos anaeróbicos, en los cuales se emplean anaerobios obligados o en los que solo se utilizan ciertos componentes anaeróbicos de sistemas metabólicos facultativos selectivos. Los microorganismos simples (bacterias, levaduras y mohos) se pueden inmovilizar fácilmente por varios métodos: atrapamiento, adsorción de intercambio iónico, en cerámica porosa y aún unión covalente. A pesar de los recientes avances en el cultivo de células animales, existen realmente unas pocas aplicaciones, más allá de la producción de anticuerpos monoclonales. Se han usado tejidos inmovilizados de insectos en la investigación de pesticidas, lo que tiene un gran potencial de mercado en la agricultura. También existen prometedoras investigaciones sobre la inmovilización de células beta del páncreas en alginato, colocadas en el hígado, para la producción de insulina en pacientes insulinodependientes.

Métodos de Inmovilización y su Relación con el Crecimiento Celular

La mayoría de los principios involucrados en la inmovilización de enzimas se aplican directamente a la inmovilización de células. La unión covalente, unión por afinidad, adsorción física y atrapamiento en matrices de polímero natural o sintético. La técnica de inmovilización más popular y práctica tiene que ver con el reciclado de células con una membrana de ultrafiltración o con un cartridge de fibras hueco. Aunque este proceso no es considerado habitualmente como una inmovilización de células en sí, es equivalente funcionalmente, los dispositivos que reciclan células retienen efectivamente los catalizadores en un biorreactor y cumplen el mismo objetivo que la inmovilización de células. Un biorreactor con células inmovilizadas es bastante apropiado para aquellas células que poseen fases de crecimiento y fases de formación de producto acopladas. La biomasa y los metabolitos primarios son productos asociados al crecimiento, pero los metabolitos secundarios, tales como los antibióticos y varias enzimas, son producidas durante la fase estacionaria. El desacoplamiento de las fases significa que las células productivas no pueden competir con las células no productivas en un fermentador operado continuamente con células en suspensión, debido a que las células productivas gastan recursos nutricionales y de energía produciendo químicos en cantidades más allá que la cantidad necesaria para su crecimiento, en vez de reproducirse ellas para propagarse más. Por el contrario, el crecimiento celular en un reactor con células inmovilizadas debe ser muy limitado si se evita la dispersión o rotura del gel. Sin embargo, una vez que las células son inmovilizadas, la viabilidad celular se mantiene por un tiempo prolongado. Visto así, la inmovilización es ventajosa porque mantiene las células en un crecimiento lento, especialmente las de tejidos vegetales. Resumiendo, uno desea que las células inmovilizadas se mantengan vivas sin multiplicarse. De esta forma el metabolismo se enfoca más hacia la liberación de metabolitos que hacia la replicación celular.