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

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

elettronica

ingegneria

biochimica

ingegneria chimica

ingegneria meccanica

ingegnerie delle

tecnologie alimentari

scienze

dell'alimentazione

geneticamicrobiologia

biochimica

chimica

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

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

• Industria farmaceuticaIndustria farmaceutica• prodotti farmaceutici per la cura o il controllo di malattie umane: prodotti farmaceutici per la cura o il controllo di malattie umane:

antibiotici, vaccini, terapia genicaantibiotici, 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 nuove varietà di piante coltivate e di animali, nuovi fertilizzanti e

pesticidipesticidi

• Industria alimentareIndustria alimentare• una vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e una vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e

bevandebevande

• 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 vari tipi di reagenti, tra cui enzimi, DNA/RNA, prodotti chimici

particolariparticolari

• StrumentazioneStrumentazione• impianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche impianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche

ausiliariausiliari

Sanità

69%

Chimica/ Alimentazione

5%

Zootecnia

8%

Agricoltura

13%

Atri

4%

Energia/ Ambiente

1%

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

Lo sviluppo futuro dei processi biotecnologici Lo sviluppo futuro dei processi biotecnologici su larga scala è indissolubilmente legato: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

Gli attori delle biotecnologie:

• microrganismi

• enzimi

• organismi ricombinanti


• microrganismi

• enzimi


I microrganismi: I microrganismi: giganti dell’industria giganti dell’industria

osservabili al microscopioosservabili al microscopioNelle 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. 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 I microrganismi ed il loro metabolismo rappresentano una metabolismo rappresentano una importante risorsa per le importante risorsa per le biotecnologie biotecnologie

I microrganismi possono essere I microrganismi possono essere prodotti in enormi quantità in prodotti in enormi quantità in appositi bioreattori detti appositi bioreattori detti fermentatorifermentatori

Le tecnologie fermentative per ottenere biomasse e

prodotti

Approccio empirico

Approccio razionale e tecnologico

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

Prodotti ottenuti con processi fermentativi Prodotti ottenuti con processi fermentativi in vari settori industrialiin vari settori industriali

SettoreSettore AttivitàAttività

Industria chimica organica

Alcoli, acidi organici, enzimi, polimeri, essenze per l’industria cosmetica

Industria chimica inorganica

Bioestrazione, bioaccumulazione,

Industria farmaceuticaAntibiotici, steroidi, vaccini,

inibitori enzimatici

Industria dei combustibili Etanolo, metano e biomasse

Industria alimentareProdotti caseari, lievito,

additivi, sciroppi di glucosio, pectine

Agricoltura

SCP, vaccini veterinari, insilamento e compostaggio,

colture di cellule e tessuti vegetali

•il bioreattore•il microrganismo•i nutrienti •la sterilità•le condizioni operative•il down stream

Le problematiche di Le problematiche di un processo un processo fermentativofermentativo

Le problematiche di Le problematiche di un processo un processo fermentativofermentativo

10 l

M

AIR/O2

CW

Microfiltration module

exhaust medium fresh salt solutionnutrient solution

exhaust air

Bioreattore da ricercaBioreattore da ricerca

Impianto di Impianto di fermentaziofermentazione ne industrialeindustriale

Cosa si utilizza in un processo Cosa si utilizza in un processo fermentativo di larga scala: fermentativo di larga scala:

qualche esempio di terreno di qualche esempio di terreno di coltura industrialecoltura industriale

Il down stream di un Il down stream di un processo fermentativoprocesso fermentativo


• microrganismi

• enzimi



• microrganismi

• enzimi


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

Sono specificiSono specifici

Sono efficientiSono efficienti

Sono biodegradabiliSono biodegradabili

Lavorano in mezzi acquosi Lavorano in mezzi acquosi

Lavorano in condizioni blande di Lavorano in condizioni blande di

pH e pH e

temperaturetemperature

Funzionano a temperature molto Funzionano a temperature molto

elevate elevate o molto basseo molto basse

Operano ad elevata forza ionicaOperano ad elevata forza ionica

Sono stabili in presenza di Sono stabili in presenza di

detergentidetergenti

Lavorano anche in mezzi non Lavorano anche in mezzi non

acquosi acquosi

Processi industriali in condizioni meno drastiche ed inquinantiAlta specificità delle trasformazioni chimiche realizzateAlta stereoselettivitàLe biotrasformazioni enzimatiche sul piano normativo sono considerate processi naturali

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

Il mercato degli enzimi nel Il mercato degli enzimi nel mondomondo

Stima delle vendite di tutti gli enzimi impiegati industrialmente

1983 1995 2005$ 400 $ 1 $1.7-2.0 milioni miliardi miliardi

Altro

29%

Tessile

10%Amido

15%

Caseario

14%

Detergenza

32%

Produzione di enzimi Produzione di enzimi industriali nel mondo industriali nel mondo

occidentaleoccidentaleNazione 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 1060 2

Altri 530 1

Totale 53000 100

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

Proteasi di Bacillus

550

Amiloglucosidasi 350

Amilasi di Bacillus

350

Glucosio isomerasi 60

Caglio di origine

microbica 25

Amilasi fungina 20Pectinasi 20

Proteasi fungina 15

Settore di Settore di applicazioneapplicazione Enzimi usatiEnzimi usati Impiego Impiego ProblemiProblemi

DetersiviProteasi, Amilasi,

LipasiLavaggio

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 birraEnzimi prodotti

dall’orzo nella fase della macerazione

Scindono l’amido e le proteine

formando composti semplici

immediatamente metabolizzabili dai

lieviti

Industria caseariaRennina,lipasi,latta

si

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 AmilasiRimozione dell’amido

Industria del pellameTripsina

Rimozione dei peli

Industria farmaceutica TripsinaDigestivi e diagnostica

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.

VANTAGGI DEI BIOCATALIZZATORI VANTAGGI DEI BIOCATALIZZATORI IMMOBILIZZATIIMMOBILIZZATI

• Consentono il riutilizzo della componente Consentono il riutilizzo della componente enzimatica 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 Consentono il controllo più preciso dei processi

cataliticicatalitici• Migliorano la stabilità degli enzimiMigliorano la stabilità degli enzimi• Consentono lo sviluppo di un sistema con Consentono lo sviluppo di un sistema con

reazioni multienzimatichereazioni multienzimatiche• Offrono notevoli possibilità di applicazione in Offrono notevoli possibilità di applicazione in

campo industriale e clinico campo industriale e clinico • Riducono i problemi di smaltimento degli Riducono i problemi di smaltimento degli

effluentieffluenti

Biotecnologie: un overview

• Biotecnologie ed Energia

• Biotecnologie e Medicina

• Biotecnologie e Ambiente

• Biotecnologie e Alimentazione






Biotecnologie e problematiche energetiche: le fonti rinnovabili di energia

Biotecnologie e problematiche energetiche: le fonti rinnovabili di energia

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.

Le possibili strategie per ottenere Le possibili strategie per ottenere biomasse da impiegare nei processi biomasse da impiegare nei processi industriali con finalità energetiche sono:industriali con finalità energetiche sono:

La raccolta di vegetazione spontanea La coltivazione delle cosiddette colture

energetiche L’utilizzo degli scarti delle

lavorazioni agricole

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

Alcuni dei principali prodotti derivati da biomasse vegetali

Sottoprodotti che possono essere usati come substrati per processi

biotecnologici

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 BIOFARMACI UFFICIALMENTE APPROVATI PER LA COMMERCIALIZZAZIONEPER LA COMMERCIALIZZAZIONE

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)

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)

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

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.

CLASSIFICAZIONE DEI MICRORGANISMI IN BASE ALLA LORO PATOGENICITÀ

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