Para ajudar a mitigar as mudanças climáticas, empresas estão usando biorreatores para cultivar algas e outros microrganismos que são centenas de vezes mais eficientes na absorção de CO2 do que as árvores. Enquanto isso, na indústria farmacêutica, a cultura de células é usada para fabricar medicamentos biológicos e outros tratamentos avançados, incluindo terapias genéticas e celulares que salvam vidas.

Ambos os processos são prejudicados pela tendência das células de aderirem às superfícies, o que gera uma enorme quantidade de desperdício e tempo de inatividade para limpeza. Um problema semelhante retarda a produção de biocombustíveis, interfere em biossensores e implantes e torna a indústria de alimentos e bebidas menos eficiente.

Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram uma abordagem para destacar células de superfícies sob demanda, usando bolhas geradas eletroquimicamente. Em um artigo de acesso aberto publicado na Science Advances , os pesquisadores demonstraram sua abordagem em um protótipo de laboratório e mostraram que ela poderia funcionar em uma variedade de células e superfícies sem danificá-las.

“Queríamos desenvolver uma tecnologia de alto rendimento e plug-and-play, que permitisse que as células se conectassem e se desconectassem sob demanda para melhorar o fluxo de trabalho nesses processos industriais”, afirma o professor Kripa Varanasi, autor sênior do estudo. “Este é um problema fundamental com as células, e nós o resolvemos com um processo escalável. Ele se presta a muitas aplicações diferentes.”

Juntando-se a Varanasi no estudo estão os coautores Bert Vandereydt, um estudante de doutorado em engenharia mecânica, e o ex-pós-doutorado Baptiste Blanc.

Os pesquisadores começaram com uma missão.

“Temos trabalhado para descobrir como capturar CO2 de forma eficiente em diferentes fontes e convertê-lo em produtos valiosos para diversos mercados finais”, diz Varanasi. “É aí que entram em cena o fotobiorreator e o desprendimento celular.”

Fotobiorreatores são usados para cultivar células de algas que absorvem carbono, criando ambientes rigorosamente controlados envolvendo água e luz solar. Eles possuem tubos longos e sinuosos com superfícies transparentes para permitir a entrada da luz necessária para o crescimento das algas. Quando as algas grudam nessas superfícies, elas bloqueiam a luz, exigindo limpeza.

“É preciso desligar e limpar todo o reator a cada duas semanas”, diz Varanasi. “É um enorme desafio operacional.”

Os pesquisadores perceberam que outras indústrias enfrentam problemas semelhantes devido à adesão natural, ou viscosidade, de muitas células. Cada indústria tem sua própria solução para a adesão celular, dependendo da importância da sobrevivência das células. Algumas pessoas raspam as superfícies para limpá-las, enquanto outras usam revestimentos especiais que são tóxicos para as células.

Nas indústrias farmacêutica e de biotecnologia, o desprendimento celular é normalmente realizado por meio de enzimas. No entanto, esse método apresenta vários desafios: pode danificar as membranas celulares, é demorado e requer grandes quantidades de consumíveis, resultando em milhões de litros de resíduos biológicos.

Para criar uma solução melhor, os pesquisadores começaram estudando outras tentativas de limpar superfícies com bolhas, que envolviam principalmente pulverizar bolhas sobre as superfícies e eram amplamente ineficazes.

Correntes elétricas geram bolhas ao dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Mas tentativas anteriores de usar eletricidade para separar células foram prejudicadas porque os meios de cultura de células contêm cloreto de sódio, que se transforma em água sanitária quando combinado com uma corrente elétrica. A água sanitária danifica as células, tornando-a impraticável para muitas aplicações.

“O culpado é o ânodo — é onde o cloreto de sódio se transforma em alvejante”, explicou Vandereydt. “Imaginamos que, se pudéssemos separar esse eletrodo do resto do sistema, poderíamos evitar a geração de alvejante.”

Para criar um sistema melhor, os pesquisadores construíram uma superfície de vidro de 7,6 cm² e depositaram um eletrodo de ouro sobre ela. A camada de ouro é tão fina que não bloqueia a luz. Para manter o outro eletrodo separado, os pesquisadores integraram uma membrana especial que permite a passagem apenas de prótons. A configuração permitiu que os pesquisadores enviassem uma corrente sem gerar alvejante.

Para testar a configuração, eles permitiram que células de algas de uma solução concentrada aderissem às superfícies. Quando aplicaram uma voltagem, as bolhas separaram as células das superfícies sem danificá-las.

Os pesquisadores também estudaram a interação entre as bolhas e as células, descobrindo que quanto maior a densidade de corrente, mais bolhas eram criadas e mais algas eram removidas. Eles desenvolveram um modelo para entender quanta corrente seria necessária para remover algas em diferentes cenários e compararam-no com resultados de experimentos envolvendo algas, bem como células de câncer de ovário e ossos.

“As células de mamíferos são ordens de magnitude mais sensíveis do que as células de algas, mas mesmo com essas células, conseguimos separá-las sem impacto na viabilidade da célula”, diz Vandereydt.

Os pesquisadores afirmam que seu sistema pode representar um avanço em aplicações nas quais alvejantes ou outros produtos químicos podem danificar as células. Isso inclui a produção farmacêutica e de alimentos.

“Se conseguirmos manter esses sistemas funcionando sem incrustações e outros problemas, poderemos torná-los muito mais econômicos”, diz Varanasi.

Para placas de cultura de células utilizadas na indústria farmacêutica, a equipe prevê um sistema composto por um eletrodo que poderia ser movido roboticamente de uma placa de cultura para outra, para destacar as células à medida que crescem. Ele também poderia ser enrolado em sistemas de coleta de algas.

“Isso tem aplicabilidade geral porque não depende de nenhum tratamento biológico ou químico específico, mas de uma força física independente do sistema”, diz Varanasi. “Também é altamente escalável para diversos processos, incluindo a remoção de partículas.”

Varanasi alerta que há muito trabalho a ser feito para ampliar o sistema. Mas ele espera que um dia ele possa tornar a coleta de algas e outras células mais eficiente.

“O problema urgente da nossa época é capturar CO2 de uma forma economicamente viável”, diz Varanasi. “Esses fotobiorreatores poderiam ser usados ??para isso, mas precisamos superar o problema da adesão celular.”

O trabalho foi apoiado, em parte, pela Eni SpA por meio da Iniciativa de Energia do MIT, da Bolsa de Estudos da Fundação Educacional Belga Americana e da Bolsa Maria Zambrano.