Biotecnologia Farmacêutica - Programa de Pós

Universidade de Sorocaba
Manual Pedagógico para
Biotecnologia Farmacêutica
Mestrado em Ciências Farmacêuticas
Prof. Doutor Victor Manuel Cardoso Figueiredo Balcão
UNISO – Sorocaba – Ano letivo 2012/2013
Ficha programática da unidade curricular:
a)
Nome do docente: Victor Manuel Balcão
b)
Grau académico (mais elevado): Doutoramento em Biotecnologia
c)
Categoria funcional: Professor Associado
d)
Ciclo de estudos: Mestrado em Ciências Farmacêuticas
e)
Semestre curricular: 1º
f)
N.º total de horas de contato: 30
g)
Tipologia das aulas: As aulas serão de natureza teórica, teórico-prática e
Ano letivo: 2012-2013
prática-laboratorial. Nas aulas teóricas serão expostos e desenvolvidos (apoiados em
bibliografia adequada) conceitos relativos aos conteúdos programáticos, visando a
aquisição de competências específicas pelos alunos. Nas aulas teórico-práticas os
conceitos teóricos serão ilustrados por exemplos de aplicação prática, os quais serão
aprofundados autonomamente pelos alunos através da resolução de problemas
individuais, numa óptica de PBL (Problem-Based Learning). Nas aulas práticas
laboratoriais serão realizados alguns trabalhos experimentais relacionados com o
conteúdo programático.
h)
Objetivos da unidade curricular e competências a atingir:
Hoje em dia verifica-se um grande desenvolvimento de uma grande variedade de
novos produtos biomédicos e (bio)farmacêuticos, cujo desenvolvimento não teria sido
possível sem o domínio das, e recurso às, técnicas da Biotecnologia. As novas
metodologias desenvolvidas nos últimos anos têm vindo a ter uma importância
fundamental para diversos estudos no ramo da indústria farmacêutica, onde têm
permitido a produção em grande escala de novos produtos (bio)farmacêuticos. Com
esta disciplina pretende-se fornecer as bases e a experiência laboratorial que
permitam abordar a produção industrial de produtos biológicos com aplicação médica,
no sentido de formar os novos farmacêuticos numa área extremamente actual e de
crescente importância: a produção biotecnológica de produtos farmacêuticos através
da utilização da tecnologia do ADN recombinante, da manipulação de
microorganismos e/ou de células vegetais, animais, humanas, ou de insectos. São por
isso apresentadas as metodologias biotecnológicas mais recentes para obtenção dos
vários compostos biofarmacêuticos. Assim, pretende-se por um lado dar a conhecer as
novas aplicações da Biologia Molecular e da Microbiologia e, por outro, da Engenharia
Enzimática, Bioquímica Aplicada e Engenharia Bioprocessual, de modo a que os
alunos possam ficar a conhecer as principais áreas de desenvolvimento da
Biotecnologia nos nossos dias, em particular no campo das ciências farmacêuticas.
Nas aulas teóricas será feita a apresentação dos conceitos teóricos relevantes,
conceitos estes que serão ilustrados por exemplos de aplicação (case studies) reais,
enquanto que nas aulas práticas serão realizados alguns trabalhos experimentais
relacionados com as tecnologias apreendidas. Procura-se, igualmente, proporcionar
um balanço sólido entre os princípios teóricos e a aplicação prática de algumas
técnicas biotecnológicas de ponta, com enfoque na resolução e discussão de
problemas, de forma a permitir que os alunos desenvolvam uma visão mais clara,
crítica e exacta. Pretende-se ainda capacitar os alunos para o correcto manuseamento
de material específico de uso num laboratório de biotecnologia e para a execução
conveniente de operações biotecnológicas.
As competências a atingir com a frequência da unidade curricular “Biotecnologia
Farmacêutica” são:
1- capacidade de compreensão e aquisição de novos conhecimentos na área da
Biotecnologia, de forma autónoma e recorrendo a bibliografia adequada;
2- capacidade de elaboração de textos desenvolvidos ou súmulas sobre determinado
tema proposto ou leitura efectuada, mostrando capacidades de compreensão, síntese
e organização de ideias;
3- capacidade de elaborar raciocínios ou resolver problemas novos, relacionados com
os conteúdos programáticos apreendidos;
4- correto manuseamento de material tanto específico como de uso corrente num
laboratório de Biotecnologia;
5- execução conveniente de operações laboratoriais avançadas;
6- experiência em pesquisa bibliográfica pelos meios informáticos à disposição e
capacidade de distinguir boas e más fontes bibliográficas;
7- empenho na participação em reuniões científicas visando o desenvolvimento
científico dos alunos;
8- possuir formação adequada em domínios da biotecnologia como sejam a Genética,
Engenharia Bioquímica, e os Bioprocessos, envolvendo Biorreactores e
Biosseparações, a nível laboratorial ou industrial;
9- possuir formação básica em domínios específicos da biotecnologia como sejam, por
exemplo, a biotecnologia microbiana, vegetal, animal, e médica, a engenharia
enzimática e biorreactores enzimáticos, e a recuperação e purificação de bioprodutos;
10- possuir capacidade de comunicação e prevenção de risco em relação a situações
relacionadas com utilização de células e (micro)organismos, geneticamente
modificados ou não, ou produtos químicos em procedimentos laboratoriais ou
processos industriais;
11- ter conhecimento básico das principais áreas da biotecnologia: biotecnologia
branca
(processos
industriais);
biotecnologia
verde
(processos
agroalimentares/químicos e ambientais); biotecnologia vermelha (processos médicos); e
biotecnologia azul (utilização técnica de bioprocessos e organismos marinhos, com
vista à obtenção de novos produtos biofarmacêuticos);
12- ter atingido um nível de conhecimentos de biotecnologia e competências para
prossecução de estudos de doutorado com um grau adequado de autonomia,
nomeadamente em áreas de interface entre a Bioquímica e Biologia e as Ciências da
Engenharia e Tecnologia.
i)
Avaliação:
A unidade curricular será avaliada autonomamente à componente teórica/teóricoprática (T, 0-20 valores) e à componente prática laboratorial (PL, 0-20 valores). A
classificação final da disciplina será calculada pela média ponderada das
classificações (expressas com duas casas decimais) das duas componentes, tendo a
componente teórica/teórico-prática uma valorização conjunta de 75% e a componente
prática laboratorial uma valorização de 25%.
Componente teórica/teórico-prática (T/TP): A avaliação de conhecimentos da
componente teórica/teórico-prática seguirá o regime geral de avaliação, será feita de
forma contínua e compreenderá 3 momentos de avaliação traduzidos em 2 provas
escritas sem consulta (PA) (que se realizam em datas a combinar com os alunos no
início do semestre lectivo) e que decorrerão durante o período de lecionação da
disciplina, e na realização de um seminário em grupo (constituído por um poster
científico) (SEM). Cada uma das provas será efectuada em horário normal das aulas,
tendo uma duração de 2 horas, incidindo sobre o conteúdo programático processado
até ao momento do teste (teórico/teórico-prático, não possuindo nenhuma das provas
carácter eliminativo de matéria). O aluno deverá levar consigo para a prova apenas
caneta e calculadora científica. A participação do aluno em sala de aula compreenderá
não só o seu interesse e participação nas aulas, mas também a sua participação e
desempenho em debate de temas propostos pelo docente, integrantes do conteúdo
programático da disciplina, e preparados pelos alunos de forma autónoma, e que não
serão lecionados em sala de aula, mas serão sujeitos a questões nas provas de
avaliação já mencionadas. As aulas teórico-práticas consistirão na resolução de
exercícios de aplicação relativos a: (1) Modelação de biorreatores BSTR, com reacção
enzimática segundo cinética de Michaëlis-Menten, com e sem desactivação
enzimática de 1ª ordem; (2) Modelação de biorreatores CSTR, com reacção
enzimática segundo cinética de Michaëlis-Menten, com e sem desactivação
enzimática de 1ª ordem; (3) Modelação de biorreatores PFR, com reacção enzimática
segundo cinética de Michaëlis-Menten, com e sem desactivação enzimática de 1ª
ordem; (4) Determinação do volume óptimo de uma cascata de dois biorreatores
CSTR colocados em série, com reacção enzimática segundo cinética de MichaëlisMenten; (5) Determinação das condições óptimas de operação de um biorreator BSTR
(operação + paragem + limpeza + re-início).
A avaliação de conhecimentos à componente teórica compreenderá então os
seguintes aspectos e respectivas ponderações:
a) trabalho em grupo sob a forma de poster científico (SEM, máximo de 20%);
b) dois momentos de avaliação escrita, em sala de aula, sem consulta (PA,
máximo de 40% para cada prova escrita).
Nota componente teórica = 40% PA1 + 40% PA2 + 20% SEM
Componente prática laboratorial (PL): A avaliação da componente prática
laboratorial (PL), feita de modo contínuo durante as aulas laboratoriais, contabilizará
os seguintes elementos de avaliação: [i] uma prova escrita de avaliação teórico-prática
(PAL) de conhecimentos e assuntos tratados nas aulas laboratoriais, sem consulta, no
sentido de avaliar se estas aulas atingiram o objectivo formativo previsto: fornecer
competências práticas aos alunos. A falta deste elemento de avaliação será convertida
numa classificação zero para efeitos de média final; e [ii] um relatório completo, em
grupo, sobre um dos trabalhos práticos laboratoriais (seleccionado pelo Professor). Ao
aluno só será contabilizada a classificação obtida na componente teórica/teóricoprática da disciplina, se o aluno tiver obtido uma classificação na componente prática
laboratorial (PL) igual ou superior a 10.0 valores em 20. Se o aluno tiver aprovação na
componente prática laboratorial e contudo reprovar na avaliação da componente
teórica/teórico-prática (T/TP), no ano seguinte só repete a componente teórica da
disciplina. Se o aluno tiver aprovação na componente teórica/teórico-prática e contudo
reprovar na avaliação da componente prática laboratorial, no ano seguinte só repete a
componente prática laboratorial da disciplina. O aluno só poderá ter aprovação à
disciplina se tiver nota positiva à componente prática.
A avaliação de conhecimentos da componente prática laboratorial compreenderá os
seguintes aspectos e respectivas ponderações:
a) um momento de avaliação escrita, em sala de aula, sem consulta (PAL,
máximo de 80% para a prova escrita);
b) um relatório completo, em grupo, sobre um dos trabalhos práticos
laboratoriais (seleccionado pelo Professor) (RC, máximo de 20%).
Nota componente prática-laboratorial = 80% PAL + 20% RC
Classificação final da disciplina: A classificação final da disciplina será baseada na
avaliação das componentes teórica/teórico-prática (T/TP) e prática laboratorial (PL), e
será calculada da seguinte forma: Classificação final = (7.5T+2.5P)/10.
j)
Conteúdos por unidade lectiva.
Aulas teóricas (T)
Unidade Letiva 1:
1. Fundamentos de Biotecnologia. 1.1. O que é a biotecnologia?, 1.2. A
biotecnologia na antiguidade, 1.3. Aplicações da biotecnologia na indústria
farmacêutica, 1.4. O que a biotecnologia já fez e o que ainda pode fazer, 1.5.
Biotecnologia branca, 1.6. Biotecnologia verde, 1.7. Biotecnologia vermelha, 1.8.
Biotecnologia azul.
2. Princípios básicos de tecnologia de DNA recombinante. 2.1. A estrutura do
DNA, 2.2. “Corte e costura” na molécula de DNA, 2.3. Aplicações da tecnologia de
DNA recombinante.
Bibliografia fundamental:
[1], [2], [3], [5]
Unidade Lectiva 2:
3. Biotecnologia microbiana. 3.1. Produção comercial de microorganismos, 3.2.
(Bio)tecnologia de fermentação, 3.3. Fermentadores industriais (fermentadores em
batch e fermentadores em contínuo), 3.4. Fermentação e biotecnologia:
instabilidade genética, 3.5. Bioconversões (o uso de células imobilizadas, produtos
obtidos a partir de microorganismos (Metabolitos (primários e secundários))), 3.6.
Produção de antibióticos.
4. Biotecnologia vegetal. 4.1. As quatro “vagas” da biotecnologia vegetal, 4.2.
Métodos de transformação genética de plantas, 4.3. Produtos químicos obtidos de
plantas, 4.4. Plantas modificadas geneticamente, 4.5. As plantas como
bioreactores, 4.5.1. Plantas transplastómicas, 4.6. Micropropagação clonal.
5. Biotecnologia animal. 5.1. Métodos de transferência de genes em animais,
5.1.1. Microinjecção, 5.1.2. Transferência de genes via células estaminais
embrionárias, 5.1.3. Retrovírus e transferência de genes, 5.2. Animais transgénicos,
5.2.1. Ratos (ratos knock-out), Vacas, Ovelhas e Cabras (a glândula mamária como
plataforma de produção biotecnológica), Porcos, Aves, 5.3. Xenotransplantação.
6. Biotecnologia médica. 6.1. Aplicações da biotecnologia em (bio)medicina, 6.2.
Produtos biofarmacêuticos de origem marinha, 6.3. Terapia génica (métodos de
entrega direccionada de genes), 6.4. Engenharia de tecidos, 6.5. Engenharia de
anticorpos, 6.6. Clonagem terapêutica vs. Reprogramação nuclear de DNA, 6.7.
Administração de produtos biotecnológicos, 6.8. Terapia fágica, 6.9. Produção da
vacina contra o vírus da gripe.
Bibliografia fundamental:
[1], [3], [5], [9], [11], [12]
Unidade Lectiva 3:
7. Engenharia enzimática. 7.1. Enzimas: o que são e para que servem, 7.2.
Vantagens da utilização de enzimas em processos biotecnológicos, 7.3. Utilização
de enzimas na indústria farmacêutica, 7.4. Métodos de imobilização de enzimas,
7.4.1. Métodos físicos (adsorpção (van der Waals), aprisionamento (em fibras ôcas
porosas, em fibras esponjosas, no interior de uma matriz de gel insolúvel e no
interior de uma microcápsula)), 7.4.2. Métodos químicos (ligações covalentes a uma
matriz, cross-linking (sem suporte), cross-linking por reagentes multifuncionais), 7.5.
Estabilização estrutural e funcional de enzimas (modificação química com
macromoléculas polifuncionais), 7.6. Estabilização contra solventes, 7.7. Aplicações
industriais de enzimas imobilizadas, 7.8. Estudos de caso (tratamento
extracorpóreo de leucemia, produção de GOS, hidrólise de proteínas do soro de
leite, acidólise de azeite).
8. Reactores enzimáticos. 8.1. Classificação de biorreatores enzimáticos, 8.1.1.
Reator por partidas (BSTR), 8.1.2. Reator contínuo (CSTR), 8.1.3. Reator-pistão
(PFR), 8.2. Modelação de biorreatores enzimáticos ideais, 8.3. Cinética de reacções
enzimáticas: reacções Uni-Substrato Uni-Produto e reacções Multi-Substrato MultiProduto, 8.4. Estabilidade enzimática: efeitos da temperatura e do pH, 8.5. Cinética
de enzimas imobilizadas, 8.6. Formulação, caracterização e aplicações de
biocatalizadores com células imobilizadas.
Bibliografia fundamental:
[3], [4], [6], [7], [9], [12], [13], [14]
Unidade Lectiva 4:
9. Recuperação e purificação de bioprodutos. 9.1. Influência do processamento
a montante no processamento a jusante, 9.2. Pré-tratamento no processamento a
jusante, 9.3. Níveis de integração de bioprocessos, 9.4. Processamento a jusante,
9.4.1. Separação primária sólido-líquido (produto intracelular vs. produto
extracelular), 9.4.2. Desintegração celular, 9.4.3. Purificação final.
Bibliografia fundamental:
[1], [2], [5], [8], [9], [10], [12]
Aulas práticas laboratoriais (PL)
Nas aulas PL serão realizados alguns trabalhos experimentais, abaixo referidos, que
permitirão, recorrendo a diversas técnicas de biotecnologia, despertar o espírito crítico
dos alunos. Nesta componente laboratorial pretende-se que os alunos adquiram e
desenvolvam competências de utilização e manuseamento de material de laboratório,
de execução de técnicas e procedimentos laboratoriais em biotecnologia e a ilustração
de determinados conceitos abordados no programa teórico.
Trabalho nº 1:
Trabalho nº 2:
Trabalho nº 3:
Trabalho nº 4:
k)
Demonstração de um processo biotecnológico: produção de ácidos
gordos livres por hidrólise enzimática de gordura de manteiga.
Demonstração de métodos de imobilização de biocatalizadores:
ligação covalente a um suporte inorgânico.
Hidrólise da lactose no leite, catalizada por uma lactase imobilizada.
Estabilidade de uma lipase comercial: modelação cinética da
dependência da actividade na temperatura, usando um biorreator
BSTR.
Bibliografia.
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ISBN 0-534-23436-4.
[2] Walsh, G.; Biopharmaceuticals: Biochemistry and Biotechnology; John Wiley & Sons; 1999;
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[3] Bailey, J. E.; Ollis, D. F.; Biochemical Engineering Fundamentals; McGraw-Hill; 1986; ISBN
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[4] Bickerstaff, G.; Immobilization of Enzymes and Cells; Humana Press; 1997; ISBN 0-89603386-4.
[5] Glick, B. R.; Pasternak, J. J.; Molecular Biotechnology – principles and applications of
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[6] Balcão, V. M., Paiva, A. L., Malcata, F. X., (1996) Bioreactors with immobilized lipases:
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[7] Balcão, V. M., Mateo, C., Fernández-Lafuente, R., Malcata, F. X., Guisán, J. M. (2001)
Structural and functional stabilization of L-asparaginase via multi-subunit immobilization onto
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[8] Schmidt-Kastner, G., Biedermann, K., Brocklebank, M. P., Jungbauer, A, Tijsterman, J. A.;
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