Manual Pedagógico para Biotecnologia Farmacêutica Mestrado em Ciências Farmacêuticas

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1 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

2 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 Ano letivo: f) N.º total de horas de contato: 30 g) Tipologia das aulas: As aulas serão de natureza teórica, teórico-prática e 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

3 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

4 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 Michaëlis- Menten; (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%).

5 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 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 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 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 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, Plantas transplastómicas, 4.6. Micropropagação clonal. 5. Biotecnologia animal Métodos de transferência de genes em animais, Microinjecção, Transferência de genes via células estaminais embrionárias, Retrovírus e transferência de genes, 5.2. Animais transgénicos, Ratos (ratos knock-out), Vacas, Ovelhas e Cabras (a glândula mamária como plataforma de produção biotecnológica), Porcos, Aves, 5.3. Xenotransplantação. 6. Biotecnologia médica 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.

6 Bibliografia fundamental: [1], [3], [5], [9], [11], [12] Unidade Lectiva 3: 7. Engenharia enzimática 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, 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)), 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 Classificação de biorreatores enzimáticos, Reator por partidas (BSTR), Reator contínuo (CSTR), 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 Multi- Produto, 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 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, Separação primária sólido-líquido (produto intracelular vs. produto extracelular), Desintegração celular, Purificação final. Bibliografia fundamental: [1], [2], [5], [8], [9], [10], [12]

7 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: 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. k) Bibliografia. [1] Barnum, S. R.; Biotechnology An introduction; Wadsworth Publishing Company; 1998; ISBN [2] Walsh, G.; Biopharmaceuticals: Biochemistry and Biotechnology; John Wiley & Sons; 1999; ISBN [3] Bailey, J. E.; Ollis, D. F.; Biochemical Engineering Fundamentals; McGraw-Hill; 1986; ISBN [4] Bickerstaff, G.; Immobilization of Enzymes and Cells; Humana Press; 1997; ISBN [5] Glick, B. R.; Pasternak, J. J.; Molecular Biotechnology principles and applications of recombinant DNA; ASM Press; 2 nd edition; 1998; ISBN [6] Balcão, V. M., Paiva, A. L., Malcata, F. X., (1996) Bioreactors with immobilized lipases: State-of-the-art, Enzyme and Microbial Technology, Vol. 18, nº 6, pp [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 highly activated supports, Biotechnology Progress, Vol. 17, pp [8] Schmidt-Kastner, G., Biedermann, K., Brocklebank, M. P., Jungbauer, A, Tijsterman, J. A.; Recovery of bioproducts; SCI London; 1993; ISBN: [9] Klefenz, H.; Industrial Pharmaceutical Biotechnology; Wiley-VCH; 2005; ISBN [10] Subramanian, G. (Ed.); Bioseparation and Bioprocessing A handbook; 2nd edition; Volumes 1 and 2; Wiley-VCH; 2007; ISBN: [11] Meibohm, B. (Ed.); Pharmacokinetics and Pharmacodynamics of Biotech Drugs Principles and Case Studies in Drug Development; Wiley-VCH; 2006; ISBN: [12] Gad, S. C. (Ed.); Handbook of Pharmaceutical Biotechnology; John Wiley & Sons Inc.; 2007; ISBN: [13] Segel, I. H.; Enzyme Kinetics - Behavior and Analysis of Rapid Equilibrium and Steady- State Enzyme Systems; Wiley, New York NY, U.S.A.; 1993; ISBN: [14] Balcão, V. M., Oliveira, T. A., Malcata, F. X. (1998) Stability of a commercial lipase from Mucor javanicus: kinetic modelling of ph and temperature dependencies, Biocatalysis and Biotransformation 16 (1), pp