Integrando vida e fluxo: rumo a biorreatores preditivos para carne cultivada

Uma nova fronteira de modelagem

Nenhum framework existente acoplou totalmente o crescimento biológico com a dinâmica de fluidos multifásica em todo o enorme espaço de design dos biorreatores modernos. Os modelos tradicionais tratam o meio de cultura como estático ou as células como traçadores passivos. Na realidade, a proliferação celular, o transporte de oxigênio e a estrutura do fluxo coevoluem: cada um determina o outro. Capturar essa interação enquanto abrangemos centenas de possíveis geometrias, volumes de enchimento e programações de agitação – é a chave para construir biorreatores que podem escalar a carne cultivada da curiosidade de laboratório para a tecnologia alimentar global.

Por que isso importa

A carne cultivada promete reduzir a pegada ambiental da agricultura, mas seu sucesso depende do desempenho do biorreator. Dentro desses dispositivos, bilhões de células animais crescem suspensas em um meio rico em nutrientes que deve permanecer bem misturado e bem oxigenado. O biorreator de agitação, uma bolsa flexível que se inclina ritmicamente como um berço, oferece uma alternativa suave e escalável aos tanques acionados por impulsor. No entanto, a mesma agitação que mistura os nutrientes também pode separar as células. Ajustar esses parâmetros experimentalmente é proibitivamente caro e lento. Cada execução de teste consome instalações estéreis, semanas de tempo de cultura e meios de crescimento caros. A simulação preditiva é, portanto, essencial.

O desafio científico

Este problema está na interseção da mecânica de fluidos multifásica não Newtoniana, fenômenos de transporte e biologia computacional. A superfície livre do fluido se move em um quadro não inercial, a viscosidade do meio evolui à medida que as células proliferam e as próprias células modificam o campo de fluxo por meio do consumo local de oxigênio e do arrasto. O CFD convencional não consegue resolver tais dinâmicas acopladas e os modelos biológicos existentes ignoram o fluxo completamente. Nosso objetivo é unificá-los.

Nossa abordagem

Na Brown, estamos desenvolvendo o primeiro framework computacional de código aberto que integra a dinâmica celular baseada em agentes dentro de um solucionador multifásico de volume de fluido (VOF) para biorreatores de agitação. Este modelo prevê a transferência de oxigênio, gradientes de nutrientes e tensões de cisalhamento diretamente a partir de princípios básicos, enquanto rastreia como esses campos afetam o crescimento local da biomassa. Como a simulação numérica direta de cada configuração é computacionalmente cara, incorporamos o solucionador em um modelo substituto baseado em dados que aprende com execuções de alta fidelidade. Combinado com a otimização Bayesiana, isso permite a exploração sistemática de milhares de combinações de design – geometria, frequência de agitação, amplitude, reologia do meio – a uma fração do custo computacional.

Este trabalho estabelece uma ponte entre a mecânica do contínuo e os sistemas vivos. Ele estende a modelagem clássica de fluxo multifásico para um regime onde o “fluido” cresce, consome e se adapta. Ao resolver como o fornecimento de oxigênio e o estresse mecânico influenciam os resultados celulares, o framework fornece critérios quantitativos para ambientes hidrodinâmicos “seguros para células” – algo anteriormente definido apenas empiricamente.

Impacto mais amplo

O resultado é uma ferramenta preditiva e reproduzível para a biotecnologia sustentável. Ao substituir a prototipagem física dispendiosa por um design aberto baseado em simulação, podemos acelerar o aumento da produção de carne cultivada e sistemas de bioprodução relacionados, como vacinas, terapias celulares e fabricação de proteínas. Todo o código e conjuntos de dados são liberados abertamente para promover a validação e reutilização da comunidade.

Para detalhes técnicos, consulte Kim, Harris & Cimpeanu (2025) ou explore o repositório BioReactor.