Biotecnologie alcuni degli attori: microrganismi ed enzimi

1. 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

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

3. Natura interdisciplinare della biotecnologia

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

5. 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

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

7. 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.

8. 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

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. 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 fermentativi di varie categorie biotecnologiche Categoria Esempi di prodotti

18. Prodotti ottenuti con processi fermentativi in vari settori industriali

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

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

25. 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

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

27. 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

28. 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

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

30. 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

31. Produzione di enzimi industriali nel mondo occidentale

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

33. APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEGLI ENZIMI

34. Enzimi immobilizzati 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 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

36. 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. 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.

39. 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

40. 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.

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

44. 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

45. BIOFARMACI UFFICIALMENTE APPROVATI PER LA COMMERCIALIZZAZIONE

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

47. 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)

49. Biotecnologie ambientali

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)