pH, DO, OD y CO₂: Qué miden y por qué son claves en un cultivo celular
En cualquier laboratorio o planta biofarmacéutica que trabaje con cultivos celulares, el control de los parámetros de cultivo es esencial. Las células, ya sean microbianas, de mamíferos o de insectos, requieren condiciones muy específicas para crecer y producir adecuadamente. Aquí es donde entran en juego cuatro parámetros clave: pH, DO, OD y CO₂.
Aunque se trata de acrónimos comunes en bioprocesos, no siempre está claro su significado exacto, qué miden y por qué son importantes como parámetros de cultivo celular. En este blog, explicamos de forma clara y rigurosa cada uno de ellos, su relación con la fisiología celular y su impacto en la productividad de los procesos biotecnológicos.
pH: equilibrio ácido-base del medio
El pH indica la acidez o alcalinidad del medio de cultivo. Como uno de los parámetros más críticos del cultivo celular, el pH afecta directamente a la estabilidad de las proteínas, la actividad enzimática, la disponibilidad de nutrientes y la integridad de las membranas. Las células son muy sensibles a los cambios de pH, por lo que su control es esencial para un crecimiento óptimo.
- Valor óptimo: suele oscilar entre 6,8 y 7,4 para células de mamíferos, aunque otras especies pueden requerir condiciones diferentes.
- Demasiado ácido: puede dañar las células, afectar a la expresión génica e inducir estrés metabólico.
- Demasiado alcalino: puede alterar los gradientes iónicos y la absorción de determinados compuestos.
El pH se mide en tiempo real mediante sensores químicos u ópticos no invasivos, y se controla automáticamente ajustando la adición de gases (como CO₂), bases (como NaOH) o ácidos (como HCl), lo que garantiza un entorno fisiológico estable.
OD: Oxígeno disuelto
El OD representa la cantidad de oxígeno disuelto en el medio de cultivo, expresado como porcentaje de saturación o en mg/L. Como uno de los parámetros más importantes del cultivo celular, es crítico en cultivos aeróbicos como células animales, líneas celulares recombinantes o bacterias como E. coli.
- Valor ideal: entre 30% y 80% de saturación, según el tipo de célula y el objetivo del proceso.
- OD bajo: las células no pueden obtener suficiente oxígeno para producir energía (ATP) a través de la respiración, lo que limita la proliferación y la productividad.
- OD elevado: puede generar especies reactivas de oxígeno (ROS), lo que provoca daños oxidativos.
Los sensores de oxígeno disuelto, a menudo basados en tecnología óptica, permiten controlar con precisión la aireación, el suministro de oxígeno y la velocidad de agitación, manteniendo los niveles adecuados durante todas las fases del cultivo.
DO: Densidad óptica o turbidez
La DO, o densidad óptica, es una medida indirecta de la concentración celular en el medio. Como uno de los parámetros clave del cultivo celular, se basa en la capacidad de las células para absorber o dispersar la luz emitida a una longitud de onda específica. Es una de las formas más rápidas y sencillas de estimar el crecimiento celular.
- OD600: longitud de onda más utilizada para los cultivos bacterianos.
- OD420-450: más comúnmente utilizada para levaduras y otros microorganismos.
- Mayor DO = más biomasa, aunque puede saturar en cultivos muy densos.
Aunque la DO no distingue entre células vivas y muertas, es útil para trazar curvas de crecimiento, identificar fases de cultivo (retardada, logarítmica, estacionaria) y optimizar los tiempos de cosecha. Puede medirse con espectrofotómetros o sensores en línea conectados al biorreactor.
CO₂: Control atmosférico y regulación del pH
El CO₂ (dióxido de carbono) desempeña un papel clave como uno de los parámetros esenciales del cultivo celular:
- Regula el pH: al disolverse en el medio, forma ácido carbónico (H₂CO₃), que disminuye el pH.
- Mantiene la homeostasis del cultivo: muchas células derivadas de mamíferos están adaptadas a entornos con un 5%-10% de CO₂, similares a las condiciones intracelulares y del cuerpo humano.
El control del CO₂ se consigue ajustando automáticamente la mezcla de gases (aire, oxígeno, nitrógeno, CO₂) introducida en el sistema. Los sensores miden la concentración de CO₂ y permiten estabilizarlo en tiempo real, especialmente en incubadoras y biorreactores.
Interacción entre parámetros: Un ecosistema interconectado
Estos parámetros no actúan de forma aislada. Están estrechamente interrelacionados:
- El CO₂ regula el pH, pero también afecta al metabolismo celular.
- La aireación influye tanto en el OD como en la evaporación del medio, alterando indirectamente el pH.
- El pH afecta a la actividad enzimática, que a su vez influye en la demanda de oxígeno y la producción de CO₂.
Por eso, los actuales sistemas de cultivo y fermentación integran plataformas automatizadas con sensores en línea y sistemas de control avanzados. Esto permite una regulación precisa y dinámica de cada parámetro del cultivo celular para mantener el equilibrio necesario para el éxito del cultivo.
Tecnología TECNIC para un control total
En TECNIC desarrollamos soluciones avanzadas para el control preciso de los parámetros clave del cultivo celular. Nuestros biorreactores de laboratorio, planta piloto y producción están equipados con:
- Sensores de alta precisión para pH, OD, CO₂ y OD
- Sistemas de adquisición de datos y control automático
- Software intuitivo para personalizar las alarmas, el escalado y el registro de datos
- Compatibilidad con tecnologías de uso único o múltiple
Ya sea en contextos de I+D, fabricación de proteínas recombinantes, producción de vacunas o terapia celular, mantener estables los parámetros de cultivo celular garantiza la calidad, la seguridad y la eficacia a lo largo de todo el proceso biotecnológico.
Consejos para mejorar la vigilancia y el control en el cultivo celular
- Calibre los sensores con regularidad: especialmente los sensores de pH y OD, para mantener lecturas precisas.
- Verificar la homogeneidad del medio: las zonas poco mezcladas pueden mostrar valores de pH o de OD poco representativos.
- Supervisión continua: la recopilación de datos en tiempo real permite realizar ajustes proactivos y evitar fallos.
- Integrar alarmas automatizadas: para detectar desviaciones críticas antes de poner en peligro el cultivo.
- Validar todo el sistema en condiciones reales de funcionamiento.
Conclusión
El control de parámetros de cultivo celular como pH, DO, OD y CO₂ es más que un detalle técnico, es la base de cualquier estrategia biotecnológica. La estabilidad de estos parámetros garantiza cultivos celulares robustos, productivos y reproducibles.
Gracias al desarrollo de sensores avanzados, sistemas automatizados y software inteligente, empresas como TECNIC permiten a los laboratorios y plantas biofarmacéuticas funcionar con la máxima fiabilidad.
La biotecnología del futuro se basa en los datos, la precisión y el control. Y todo empieza por comprender y dominar estos cuatro pilares del cultivo celular.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Indica el nivel de acidez o alcalinidad del medio de cultivo.
Corresponde al oxígeno disuelto en el medio. Es esencial para que las células respiren y generen energía.
Es la densidad óptica del cultivo, que indica cuántas células hay según la turbidez del medio.
Ayuda a regular el pH del medio y a mantener condiciones estables para las células.
Porque influyen directamente en el crecimiento, viabilidad y productividad celular.
Mediante sensores y sistemas automatizados que ajustan gases, agitación y composición del medio.
Mide la acidez o alcalinidad del medio, lo cual afecta la actividad enzimática y la estabilidad celular.
Las células lo necesitan para producir energía. Un nivel bajo reduce su rendimiento y uno alto puede generar daño oxidativo.
Permite estimar la concentración celular a partir de la cantidad de luz absorbida o dispersada por el cultivo.
Regula el pH del medio y crea un entorno similar al fisiológico, especialmente en cultivos de células de mamífero.
Sí. Por ejemplo, el CO₂ afecta al pH, y la demanda de oxígeno varía según la actividad metabólica de las células.
