Monitoramento por microcontrolador do cultivo de spirulina em fotobiorreator raceway

A oportunidade de produção de biomassa microalgal tem despertado interesse pelos diversos destinos que a mesma pode ter, seja na produção de bioenergia, como fonte de alimento ou servindo como produto da biofixação de dióxido de carbono. Em geral, a produção em larga escala de cianobactérias e microalgas é feita com acompanhamento através de análises físicoquímicas offline. Neste contexto, o objetivo deste trabalho foi monitorar a concentração celular em fotobiorreator raceway para produção de biomassa microalgal usando técnicas de aquisição digital de dados e controle de processos, pela aquisição de dados inline de iluminância, concentração de biomassa, temperatura e pH. Para tal fim foi necessário construir sensor baseado em software capaz de determinar a concentração de biomassa microalgal a partir de medidas ópticas de intensidade de radiação monocromática espalhada e desenvolver modelo matemático para a produção da biomassa microalgal no microcontrolador, utilizando algoritmo de computação natural no ajuste do modelo. Foi projetado, construído e testado durante cultivos de Spirulina sp. LEB 18, em escala piloto outdoor, um sistema autônomo de registro de informações advindas do cultivo. Foi testado um sensor de concentração de biomassa baseado na medição da radiação passante. Em uma segunda etapa foi concebido, construído e testado um sensor óptico de concentração de biomassa de Spirulina sp. LEB 18 baseado na medição da intensidade da radiação que sofre espalhamento pela suspensão da cianobactéria, em experimento no laboratório, sob condições controladas de luminosidade, temperatura e fluxo de suspensão de biomassa. A partir das medidas de espalhamento da radiação luminosa, foi construído um sistema de inferência neurofuzzy, que serve como um sensor por software da concentração de biomassa em cultivo. Por fim, a partir das concentrações de biomassa de cultivo, ao longo do tempo, foi prospectado o uso da plataforma Arduino na modelagem empírica da cinética de crescimento, usando a Equação de Verhulst. As medidas realizadas no sensor óptico baseado na medida da intensidade da radiação monocromática passante através da suspensão, usado em condições outdoor, apresentaram baixa correlação entre a concentração de biomassa e a radiação, mesmo para concentrações abaixo de 0,6 g/L. Quando da investigação do espalhamento óptico pela suspensão do cultivo, para os ângulos de 45º e 90º a radiação monocromática em 530 nm apresentou um comportamento linear crescente com a concentração, apresentando coeficiente de determinação, nos dois casos, 0,95. Foi possível construir um sensor de concentração de biomassa baseado em software, usando as informações combinadas de intensidade de radiação espalhada nos ângulos de 45º e 135º com coeficiente de determinação de 0,99. É factível realizar simultaneamente a determinação inline de variáveis do processo de cultivo de Spirulina e a modelagem cinética empírica do crescimento do micro-organismo através da equação de Verhulst, em microcontrolador Arduino.

Ação fotodinâmica da C-Ficocianina, pigmento extraído da Spirulina platensis, nas linhagens tumorais humanas K562 (não MDR) e K562 – Lucena 1 (MDR)

A C-ficocianina (C-FC), um pigmento comum nas cianobctérias e um dos mais abundantes constituintes da Spirulina platensis, vem sendo estudada por possuir várias propriedades como antioxidante, hepatoprotetora, antiinflamatória e inibidora da enzima COX-2. Alguns autores atribuem também a C-FC um efeito oxidante quando ela é o agente fotossensibilizante utilizado na terapia fotodinâmica (TFD), podendo ser um importante agente no tratamento do câncer. Entretanto ainda pouco se sabe sobre a ação da C-FC, como substância fotosensibilizante, no tratamento de ação fotodinâmica (AFD) em modelos biológicos. A AFD provoca a fotooxidação de substratos biológicos através da geração de espécies reativas de oxigênio produzidas pela associação entre um determinado comprimento de onda, uma substância fotosensível e oxigênio. Existem dois caminhos que levam a morte celular pelo processo de fotooxidação conhecidos como mecanismo do tipo I e tipo II. No mecanismo tipo I são gerados radicais como o radical ânion superóxido e radical hidroxila, enquanto no mecanismo do tipo II a espécie reativa de oxigênio gerada é o oxigênio singlete (1O2). A TFD da C-PC possui muitas vantagens em relação ao uso das hematoporfirinas e seus derivados, como rápida preparação e fácil purificação, ampla faixa de absorção do UV e visível, nenhum efeito local, e significativa redução da fotosensibilidade em tecidos normais por ter uma rápida metabolização em vivo. As pesquisas que avaliam os possíveis efeitos celulares da AFD têm sido também estendidas para as células tumorais que adquirem fenótipo de resistência a múltiplas drogas (MDR). A MDR é um fenômeno no qual células tumorais, selecionadas resistentes a um agente quimioterápico, adquirem resistência a outras drogas, 5 aparentemente não relacionadas. O fenótipo MDR é multifatorial, mas o mecanismo melhor estudado é a super expressão da glicoproteína-P, que é uma proteína de membrana capaz de fazer a extrusão de quimioterápicos para fora de célula. Com isso o objetivo deste estudo é avaliar a sensibilidade das linhagens celulares que expressem (Lucena) ou não (K562) o fenótipo MDR à AFD do pigmento C-FC, extraído da cianobactéria S. platensis, e propor um possível mecanismo de ação. A extração da C-PC foi feita no Laboratorio de Microbiologia e Engenharia de Bioprocesos (FURG). Diferentes concentrações de C-PC (0.025, 0.05, 0.10, 0.20 e 0.40 mg/ml para os testes de PDA da C-PC e 0.05, 0.10, 0.20, 0.40 e 0.60 mg/ml para os testes no escuro) foram usadas. O número de células viáveis foi avaliada imediatamente, 24 h e 48 h após o tratamento com C-PC ou PDA da C-PC através de exclusão por azul de trypan. A concentração de 0.05 mg/ml foi utilizada para determinar o possível papel da Pgp na resposta da linhagem Lucena e a concentração de 0.10 mg/ml foi utilizada nos testes de peroxidação lipídica (LPO), de produção de espécies reativas de oxigênio (ROS) e quantificação de apoptose/necrose. A PDA da CPC causou uma diminuição no número de células viáveis em ambas linhagens K562 (não MDR) e Lucena (MDR), sendo que a linhagem MDR foi menos sensível que a não MDR. Já nos testes realizados no escuro, nenhuma toxicidade foi encontrada para as duas linhagens. Nenhuma alteração na resistência da linhagem Lucena foi encontrada quando o modulador verapamil foi colocado durante o tratamento de APD com C-PC e até às 48h de acompanhamento após o tratamento. Também não foi encontrada diferença significativa de lipoperoxidação (LPO) mas houve uma tendência de aumento na produção de ROS, que foi mais evidente na linhagem K562. Além disso a linhagem Lucena apresentou uma produção basal de ROS significativamente maior que a K562. Nos testes de apoptose/necrose nenhuma diferença foi encontrada entre as células controle e tratadas em ambas linhagens. Os resultados encontrados neste estudo sugerem que a C-PC possa ser um potente agente fotosensibilizante, tanto para linhagens não MDR quanto para linhagens MDR e também que o mecanismo tipo II esteja envolvido em maior parte no efeito observado na PDA da C-PC, mas uma menor participação do mecanismo tipo I não pode ser descartada.