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Prof. Mario De Rosa - Sezione di Biotecnologia e Biologia Molecolare - Dipartimento di Medicina Sperimentale - II Università di Napoli.

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Presentazione sul tema: "Prof. Mario De Rosa - Sezione di Biotecnologia e Biologia Molecolare - Dipartimento di Medicina Sperimentale - II Università di Napoli."— Transcript della presentazione:

1 Prof. Mario De Rosa - Sezione di Biotecnologia e Biologia Molecolare - Dipartimento di Medicina Sperimentale - II Università di Napoli

2 Le moderne biotecnologie sono uno dei settori del sapere a più forte trasversalità

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4 Le moderne biotecnologie sono caratterizzate da un elevato grado di pervasività in tutti i comparti produttivi

5 Industria farmaceuticaIndustria farmaceutica prodotti farmaceutici per la cura o il controllo di malattie umane: antibiotici, vaccini, terapia genicaprodotti farmaceutici per la cura o il controllo di malattie umane: antibiotici, vaccini, terapia genica DiagnosticaDiagnostica test clinici e diagnostici, test per alimenti, ambiente, agricolturatest clinici e diagnostici, test per alimenti, ambiente, agricoltura Agricoltura/zootecnia/silvicoltura/orticolturaAgricoltura/zootecnia/silvicoltura/orticoltura nuove varietà di piante coltivate e di animali, nuovi fertilizzanti e pesticidinuove varietà di piante coltivate e di animali, nuovi fertilizzanti e pesticidi Industria alimentareIndustria alimentare una vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e bevandeuna vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e bevande AmbienteAmbiente smaltimento dei rifiuti, biorisanamento, produzione di energiasmaltimento dei rifiuti, biorisanamento, produzione di energia Industria chimicaIndustria chimica vari tipi di reagenti, tra cui enzimi, DNA/RNA, prodotti chimici particolarivari tipi di reagenti, tra cui enzimi, DNA/RNA, prodotti chimici particolari StrumentazioneStrumentazione impianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche ausiliariimpianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche ausiliari

6 Ripartizione degli investimenti U.S.A. per ricerca e sviluppo nei diversi settori dell’industria biotecnologica

7 Lo sviluppo futuro dei processi biotecnologici su larga scala è indissolubilmente legato: Alla reperibilità ed al costo delle materie prime; Alla qualità, variabilità, regolarità di approvvigionamento e grado di sicurezza delle materie prime; Ai costi dei processi chimici per la conversione delle materie prime di sintesi, in rapporto a quelli richiesti dalla conversione dei prodotti agricoli; Alla preferenza accordata dal mercato ai prodotti ”naturali” rispetto a quelli di sintesi e al crescere della domanda di prodotti biodegradabili. Materie prime e biotecnologie

8 Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti

9 I microrganismi: giganti dell’industria osservabili al microscopio Nelle biotecnologie i microrganismi svolgono un ruolo chiave. Si tratta di organismi incredibilmente versatili sotto il profilo biochimico che vivono quasi dovunque. L’unità di misura adatta alle dimensioni dei microrganismi è il micron cioè un millesimo di millimetro. Fotografia al microscopio elettronico di un batterio che si divide

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14 Particolare di un ambiente idrotermale abissale. I lunghi camini originati dalla precipitazione dei sali presenti nei vapori soprasaturi provenienti dalle rocce calde a contatto con la camera magmatica del pianeta, sono colonizzati da archeobatteri termofili

15 I microrganismi ed il loro metabolismo rappresentano una importante risorsa per le biotecnologie I microrganismi possono essere prodotti in enormi quantità in appositi bioreattori detti fermentatori

16 Le tecnologie fermentative per ottenere biomasse e prodotti Approccio empirico Approccio razionale e tecnologico

17 Prodotti fermentativi di varie categorie biotecnologiche Massa cellulare Componenti cellulari Prodotti biosintetici Prodotti catabolici Bioconversione Depurazione reflui Massa cellulare Componenti cellulari Prodotti biosintetici Prodotti catabolici Bioconversione Depurazione reflui Lievito da panificazione Proteine intracellulari Antibiotici, vitamine Etanolo, acido lattico Sciroppi da mais Fanghi attivi Lievito da panificazione Proteine intracellulari Antibiotici, vitamine Etanolo, acido lattico Sciroppi da mais Fanghi attivi Categoria Esempi di prodotti

18 Prodotti ottenuti con processi fermentativi in vari settori industriali SettoreAttività Industria chimica organica Alcoli, acidi organici, enzimi, polimeri, essenze per l’industria cosmetica Industria chimica inorganicaBioestrazione, bioaccumulazione, Industria farmaceutica Antibiotici, steroidi, vaccini, inibitori enzimatici Industria dei combustibiliEtanolo, metano e biomasse Industria alimentare Prodotti caseari, lievito, additivi, sciroppi di glucosio, pectine Agricoltura SCP, vaccini veterinari, insilamento e compostaggio, colture di cellule e tessuti vegetali

19 il bioreattore il microrganismo i nutrienti la sterilità le condizioni operative il down stream Le problematiche di un processo fermentativo

20 Bioreattore da ricerca

21 Impianto di fermentazione industriale

22 Cosa si utilizza in un processo fermentativo di larga scala: qualche esempio di terreno di coltura industriale

23 Il down stream di un processo fermentativo

24 Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti

25 Gli enzimi sono molecole proteiche che negli organismi fungono da catalizzatori delle reazioni chimiche che avvengono a livello cellulare

26 Sono specifici Sono specifici Sono efficienti Sono efficienti Sono biodegradabili Sono biodegradabili Lavorano in mezzi acquosi Lavorano in mezzi acquosi Lavorano in condizioni blande di pH e Lavorano in condizioni blande di pH e temperature temperature

27 Funzionano a temperature molto elevate o molto basse Funzionano a temperature molto elevate o molto basse Operano ad elevata forza ionica Operano ad elevata forza ionica Sono stabili in presenza di detergenti Sono stabili in presenza di detergenti Lavorano anche in mezzi non acquosi Lavorano anche in mezzi non acquosi

28 Processi industriali in condizioni meno drastiche ed inquinanti Alta specificità delle trasformazioni chimiche realizzate Alta stereoselettività Le biotrasformazioni enzimatiche sul piano normativo sono considerate processi naturali

29 Il mercato degli enzimiIl mercato degli enzimi I soggetti produttoriI soggetti produttori I prodottiI prodotti Le destinazioni d’usoLe destinazioni d’uso

30 Il mercato degli enzimi nel mondo Stima delle vendite di tutti gli enzimi impiegati industrialmente $ 400 $ 1 $ milioni miliardi miliardi

31 Produzione di enzimi industriali nel mondo occidentale NazioneTonnellate% U.S.A Giappone Danimarca Francia Germania Olanda Regno Unito Svizzera Altri Totale

32 Valori approssimati della produzione mondiale di alcuni enzimi industriali purificati (Tonnellate/anno)

33 Settore di applicazione Enzimi usati ImpiegoProblemi Detersivi Proteasi, Amilasi, Lipasi Lavaggio Allergie degli addetti alla lavorazione, oggi superate tramite incapsulamento degli enzimi Industria dei prodotti da forno Amilasi Catalizzano la degradazione dell’amido della farina in zuccheri, che sono poi utilizzati dai lieviti Industria della birra Enzimi prodotti dall’orzo nella fase della macerazione Scindono l’amido e le proteine formando composti semplici immediatamente metabolizzabili dai lieviti Industria caseariaRennina,lipasi,lattasi Scinde le proteine, grassi e lattosio rispettivamente La produzione di rennina è legata all’età dell’animale Industria dell’amido Amilasi, glucoamilasi, glucosio isomerasi, Enzimi immobilizzati Industria tessileAmilasiRimozione dell’amido Industria del pellame Tripsina Rimozione dei peli Industria farmaceuticaTripsinaDigestivi e diagnostica

34 L’uso di un enzima in forma solubile ne comporta la perdita nel prodotto e costi per la sua denaturazione. Le tecniche di immobilizzazione degli enzimi su materiali insolubili rappresentano un ulteriore costo, ma consentono il recupero dell’enzima alla fine del processo.

35 VANTAGGI DEI BIOCATALIZZATORI IMMOBILIZZATI Consentono il riutilizzo della componente enzimaticaConsentono il riutilizzo della componente enzimatica Ideali per operatività continuaIdeali per operatività continua Il prodotto finale è libero da enzimiIl prodotto finale è libero da enzimi Consentono il controllo più preciso dei processi cataliticiConsentono il controllo più preciso dei processi catalitici Migliorano la stabilità degli enzimiMigliorano la stabilità degli enzimi Consentono lo sviluppo di un sistema con reazioni multienzimaticheConsentono lo sviluppo di un sistema con reazioni multienzimatiche Offrono notevoli possibilità di applicazione in campo industriale e clinicoOffrono notevoli possibilità di applicazione in campo industriale e clinico Riducono i problemi di smaltimento degli effluentiRiducono i problemi di smaltimento degli effluenti

36 Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione

37 Biotecnologie e problematiche energetiche: le fonti rinnovabili di energia

38 I giacimenti di carbone potranno bastare ancora per un centinaio di anni mentre quelli di petrolio e di gas sono destinati ad esaurirsi prima. La risposta alla futura carenza di fonti energetiche sarà data in parte dalle biotecnologie, che consentono di ricavare energia dalle biomasse fotosintetiche. Attualmente l’ammontare dell’energia prodotta in un anno dalle piante, grazie alla fotosintesi è 10 volte superiore al totale dell’energia consumata dal genere umano per tutte le sue varie attività.

39 Le possibili strategie per ottenere biomasse da impiegare nei processi industriali con finalità energetiche sono: La raccolta di vegetazione spontanea La coltivazione delle cosiddette colture energetiche L’utilizzo degli scarti delle lavorazioni agricole

40 I nuovi approcci biotecnologici permetteranno di valorizzare, e non solo per finalità energetiche, la considerevole massa di materiali di scarto che residua dalle attività agricole, dalla zootecnia e dalle lavorazioni tradizionali delle industrie alimentari.

41 Alcuni dei principali prodotti derivati da biomasse vegetali

42 Sottoprodotti che possono essere usati come substrati per processi biotecnologici

43 Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione

44 Prodotti ad uso terapeutico (ormoni, proteine regolative, antibiotici Kit per la diagnosi prenatale di malattie genetiche Vaccini Sonde per immunodiagnostica e sonde di DNA per l’identificazione di malattie Terapie geniche

45 BIOFARMACI UFFICIALMENTE APPROVATI PER LA COMMERCIALIZZAZIONE

46 Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione

47 Trattamento rifiuti solidi,effluenti e rifiuti tossici Monitoraggio di contaminanti ambientali mediante biosensori Biorisanamento di siti contaminanti Desolforazione dei combustibili fossili Bioliscivazione per il recupero di petrolio e minerali Biocatalisi: impiego di microrganismi per la trasformazione di composti inquinanti e prodotti di scarto Trattamento di scarti dell’agricoltura per ottenere prodotti ad alto valore aggiunto Sviluppo di bioinsetticidi e prodotti non tossici per l’agricoltura Produzione di inoculanti batterici per colture vegetali (biofertilizzanti)

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50 I microrganismi possono fare ogni cosa:sono più scaltri ed energici dei microbiologi, dei chimici, degli ingegneri e quant’altri (Tratto da D. Perlmon 1980 Developments in Industrial Microbiology)

51 Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione Biotecnologie: un overview Biotecnologie ed Energia Biotecnologie e Medicina Biotecnologie e Ambiente Biotecnologie e Alimentazione

52 I cibi e le bevande prodotti per fermentazione, che comprendono alcuni degli alimenti più importanti per tutte le società umane, derivano da attività microbiche o enzimatiche su una vasta gamma di substrati vegetali o animali. L’azione enzimatica o microbica provoca modificazioni biochimiche desiderabili, che migliorano sensibilmente le proprietà organolettiche del prodotto finale

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54 Da secoli le società umane sfruttano in tutta sicurezza i processi e i prodotti biotecnologici. La biotecnologia ha contribuito in misura notevole a migliorare sia la salute umana, con lo sviluppo di vaccini che permettono di controllare la diffusione di malattie epidemiche, sia la qualità dell’ambiente, con il costante miglioramento dei bioprocessi per smaltire i rifiuti.

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56 CLASSIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI IN BASE ALLA LORO PATOGENICITÀ

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