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29 Julho 2021
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Sistemas Biológicos

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Sistemas Biológicos
Engenharia (Bio-) Química

Sistemas Biológicos

A indústria química tem sido grande motora da criação de riqueza e bem-estar mas a sua associação, muitas vezes indevida, aos problemas de poluição e ao consumo de matérias-primas e energia no decurso dos processos de produção criou na sociedade a percepção de ser também uma fonte de problemas. Simultaneamente, a indústria química contribuiu para o aprofundamento de uma filosofia de consumo que associado a um aumento rápido da população mundial criaram uma situação insustentável no que concerne à exaustão dos recursos naturais, às alterações climáticas e à capacidade de a humanidade melhorar, ou até manter, os actuais padrões de qualidade de vida. Mitigar ou evitar consequências negativas da actividade humana recente constitui um desafio de não pequena dimensão.

A Biotecnologia e a Química têm desempenhado um papel primordial em fornecer soluções para vencer os desafios que a humanidade actualmente enfrenta. Os engenheiros químicos possuem o saber para desenvolver soluções e contribuir para a realização do conceito de “sustentabilidade” (de onde deriva o conceito de “sustentabilidade industrial”). Os recursos materiais e energéticos têm de ser melhor geridos, enquanto os resíduos e o nível de poluição têm de ser reduzidos. Significa isto que todas as componentes de um processo têm de ser concebidas e projectadas de modo a reduzir os impactes ambientais negativos, tendo em conta os ciclos de vida dos produtos e dos processos. Neste contexto, a Biotecnologia moderna apresenta-se-nos como uma alternativa para o desenvolvimento de tecnologias mais limpas e de processos sustentáveis, estando, ainda que lentamente, a percorrer caminhos de penetração nos processos industriais existentes.

A Biotecnologia é uma área interdisciplinar com significados e conotações diversas, reflectindo os múltiplos interesses em jogo, carreando também uma carga política assinalável. Etimologicamente a palavra deriva do grego antigo (bios+teuchos+logos) e terá sido usada pela primeira vez em 1917 por Robert Bud, do Science Museum em Londres. A sua interdisciplinaridade realiza-se com a contribuição das ciências da vida (como a biologia molecular e celular, a bioquímica, a genética, …) e da engenharia (em particular, a engenharia química, a instrumentação ou o controlo). Poder-se-á dizer em termos simples, e segundo um conceito alargado, que a Biotecnologia consiste no uso de microrganismos ou de biomoléculas para produzir bens e serviços com utilidade e economia para o ser humano (segundo a OCDE a Biotecnologia é: The application of science and technology to living organisms, as well as parts, products and models thereof, to alter living or non-living materials for the production of knowledge, goods and services). Nesse sentido, a Biotecnologia nos bioprocessos modernos é uma extensão de técnicas antigas e, embora o grau de sofisticação seja hoje incomparavelmente mais elevado, as suas bases continuam inalteradas no recurso às células microbianas e enzimas actuando sobre os respectivos substratos como agentes no desenvolvimento e produção de produtos finais desejados. As suas aplicações estendem-se hoje a campos tão diversos como a química fina, indústria farmacêutica, cosmética, saúde, indústria alimentar, ambiente, agro-pecuária, floresta, energia, têxteis, papel, aplicações analíticas, etc. 

Contudo, uma definição tão alargada contempla, como ficou referido atrás, um conjunto alargado de disciplinas e de aplicações e, em concomitância, várias definições alternativas têm sido dadas de âmbito mais restrito, mais especializado, e baseadas nas técnicas usadas. A referência a essas técnicas deverá sempre acompanhar a definição mais geral para, segundo a OCDE, lhe dar um sentido interpretativo. Uma lista parcelar inclui técnicas como: ADN/ARN (genómica, farmacogenómica, engenharia genética, etc.), proteómica, isolamento e purificação de proteínas, engenharia de tecidos, vectores genéticos, bioinformática, nanobiotecnologia, bioprocessos (fermentação, reactores enzimáticos, separação e purificação de biomoléculas (DSP), …).

Seja de que modo for, a Biotecnologia envolve a aplicação dos princípios da engenharia e da tecnologia às ciências biológicas e à exploração das actividades biológicas, naturalmente no respeito pelos factores de sustentabilidade. 


Microscópio confocal de varrimento a laser (by courtesy of Bioengineering AG, Switzerland).

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Engenharia (Bio-) Química

A intersecção da Biotecnologia com a Engenharia Química, em particular, faz-se em todos os domínios e escalas. As ferramentas e metodologias usadas pelos Engenheiros Químicos no desenvolvimento de processos químicos são indispensáveis para a resolução de problemas associados às ciências da vida e para a comercialização dos desenvolvimentos da biotecnologia. Com a introdução de novas disciplinas curriculares e a investigação em microbiologia, bioquímica e fisiologia os engenheiros químicos dispõem hoje das competências para desenvolver soluções inovadoras e económicas para problemas no domínio das ciências da saúde e na implementação em escala comercial dos progressos no domínio da biologia molecular. As próprias células vivas podem ser consideradas individualmente como micro-fábricas de estrutura muito complexa, uma rede complicada de inter-relações entre os diferentes componentes internos. Assim, os engenheiros químicos, pelas suas competências no domínio das reacções químicas, termodinâmica, química-física de interfaces, monitorização e controlo de processos, e operações de separação e purificação de biomoléculas, pela aplicação dos princípios da modelação matemática e análise de sistemas ao estudo da função e resposta de órgãos de um organismo, têm a capacidade de conhecer os mecanismos de transporte de substâncias ao nível intra- e inter-celular, sintetizar polímeros biocompatíveis, e projectar órgãos artificiais, tecidos artificiais e próteses; têm igualmente sido os agentes principais na concepção e desenvolvimento de processos para a produção de compostos de estrutura molecular extremamente complexa e de agentes de diagnóstico.

A biotecnologia industrial envolve processos industriais para a produção de novos produtos, o tratamento de efluentes, a produção de energia, etc. Os processos fermentativos modernos, que exploram as actividades biológicas naturais de células microbianas e de enzimas, são hoje usados para a produção de inúmeros produtos, muitos dos quais não poderiam ser produzidos por quaisquer outras vias, como é caso de muitos produtos farmacêuticos ou da química fina. A engenharia química é activa e imprescindível na produção em larga escala de agentes terapêuticos como antigénios, interferons, hormonas de crescimento, tPA (tissue plasminogen activators), linfoquinas, factores anti-hemofílicos, anticorpos monoclonais, vitaminas, vacinas, antibióticos, entre outros.

Também na produção de novas formas de energias renováveis (como o bio-etanol, o bio-diesel ou o biogás), de moléculas mais simples e importantes noutras indústrias (e.g., acetona, butanol, glutamato, ácidos cítrico, láctico e glucónico, etc.), de novos materiais (por exemplo, bio-polímeros funcionais com aplicações na indústria ou em medicina) ou na depuração ambiental se recorre à cultivação em massa de microrganismos. De entre os produtos das fermentações ressaltam o(a)s enzimas, que são proteínas com poder catalítico. Estes biocatalisadores são utilizados depois em inúmeras biotransformações e na síntese química tirando partido das suas características próprias, em especial a sua estéreo-especificidade. O exemplo mais conhecido é o da glucose isomerase usada para converter a dextrose nos xaropes de frutose, um edulcorante extensivamente usado pela indústrias alimentar e farmacêutica. Um outro exemplo é o da termolisina, produzida por Bacillus thermoproteolyticus, que catalisa a produção de aspartame, um outro edulcorante também corrente.

É de realçar que o conhecimento e as metodologias de extrapolação do conhecimento obtido nos laboratórios para a escala comercial (scale-up) foram iniciadas e desenvolvidas pela engenharia química para a produção de grandes quantidades de penicilina após a segunda grande guerra mundial.

O desenvolvimento da bio-economia baseada no conhecimento assenta cada vez mais na utilização de recursos naturais renováveis e no desenvolvimento de novos processos e de novos produtos, mais competitivos, mais eco-eficientes e mais sustentáveis, natural e imprescindivelmente com o suporte dos engenheiros químicos.


Vista geral de uma unidade de produção de produtos biológicos derivados de células animais (by courtesy of Bioengineering AG, Switzerland).

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