Biotecnologie alcuni degli attori: microrganismi ed enzimi Prof. Mario De Rosa - Sezione di Biotecnologia e Biologia Molecolare - Dipartimento di Medicina Sperimentale - II Università di Napoli

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

Natura interdisciplinare della biotecnologia

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

I settori industriali investiti dallo sviluppo biotecnologico Industria farmaceutica prodotti farmaceutici per la cura o il controllo di malattie umane: antibiotici, vaccini, terapia genica Diagnostica test clinici e diagnostici, test per alimenti, ambiente, agricoltura Agricoltura/zootecnia/silvicoltura/orticoltura nuove varietà di piante coltivate e di animali, nuovi fertilizzanti e pesticidi Industria alimentare una vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e bevande Ambiente smaltimento dei rifiuti, biorisanamento, produzione di energia Industria chimica vari tipi di reagenti, tra cui enzimi, DNA/RNA, prodotti chimici particolari Strumentazione impianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche ausiliari

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

Materie prime e biotecnologie 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.

Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti

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

Particolare di un ambiente idrotermale abissale 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

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

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

Prodotti fermentativi di varie categorie biotecnologiche Categoria Esempi di prodotti 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

Prodotti ottenuti con processi fermentativi in vari settori industriali Settore Attività Industria chimica organica Alcoli, acidi organici, enzimi, polimeri, essenze per l’industria cosmetica Industria chimica inorganica Bioestrazione, bioaccumulazione, Industria farmaceutica Antibiotici, steroidi, vaccini, inibitori enzimatici Industria dei combustibili Etanolo, 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

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

Bioreattore da ricerca

Impianto di fermentazione industriale

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

Il down stream di un processo fermentativo

Gli attori delle biotecnologie: microrganismi enzimi organismi ricombinanti

Gli enzimi: ruolo nei processi metabolici Gli enzimi sono molecole proteiche che negli organismi fungono da catalizzatori delle reazioni chimiche che avvengono a livello cellulare

Proprietà degli enzimi da fonti convenzionali Sono specifici Sono efficienti Sono biodegradabili Lavorano in mezzi acquosi Lavorano in condizioni blande di pH e temperature

Proprietà degli enzimi da fonti estremofile Funzionano a temperature molto elevate o molto basse Operano ad elevata forza ionica Sono stabili in presenza di detergenti Lavorano anche in mezzi non acquosi

Gli enzimi e le loro potenzialità applicative 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

Gli enzimi un business in crescita Il mercato degli enzimi I soggetti produttori I prodotti Le destinazioni d’uso

Il mercato degli enzimi nel mondo Stima delle vendite di tutti gli enzimi impiegati industrialmente 1995 2005 $ 400 $ 1 $1.7-2.0 milioni miliardi miliardi Settori

Produzione di enzimi industriali nel mondo occidentale Nazione Tonnellate % U.S.A. 6360 12 Giappone 4240 8 Danimarca 24910 47 Francia 1590 3 Germania 3180 6 Olanda 10070 19 Regno Unito 1060 2 Svizzera Altri 530 1 Totale 53000 100

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

APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEGLI ENZIMI Settore di applicazione Enzimi usati Impiego Problemi 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 casearia Rennina,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 tessile Rimozione dell’amido Industria del pellame Tripsina Rimozione dei peli Industria farmaceutica Digestivi e diagnostica APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEGLI ENZIMI

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. Enzimi immobilizzati

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

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

Biotecnologie e problematiche energetiche: le fonti rinnovabili di energia

Le fonti rinnovabili e le biotecnologie 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.

La produzione di biocombustibili 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

Le fonti rinnovabili e le biotecnologie 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.

Alcuni dei principali prodotti derivati da biomasse vegetali

Sottoprodotti che possono essere usati come substrati per processi biotecnologici

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Biotecnologia e medicina 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

BIOFARMACI UFFICIALMENTE APPROVATI PER LA COMMERCIALIZZAZIONE

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Biotecnologie ambientali 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)

Biotecnologie ambientali

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)

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

Biotecnologie alimentari 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

Alcune bevande, cibi e additivi prodotti tradizionalmente con processi biotecnologici

Il problema della sicurezza nella biotecnologia 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.

I principali aspetti relativi alla sicurezza delle biotecnologie

CLASSIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI IN BASE ALLA LORO PATOGENICITÀ

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