PROCESSI BIOLOGICI INDUSTRIALI

1. PROCESSI BIOLOGICI INDUSTRIALI Le BIOTECNOLOGIE rientrano nella “scienza dei processi biologici applicati” o “insieme dei processi industriali che utilizzano i processi biologici”. Biotecnologia: è l’uso integrato di microbiologia, biochimica e ingegneria per realizzare la produzione di beni e servizi utilizzando i microorganismi. Ovvero: i microorganismi sono i protagonisti attivi delle reazioni che avvengono nei cosiddetti processibiologici industriali. Si può definire scienza giovane, ma è anche vero che giovane non è se si pensa alla fermentazione alcolica per la produzione del vino ed alla fermentazione per la produzione di formaggi e yogurt.

2. TERRENO APPLICATIVO Si va dalla ingegneria genetica, alla messa a punto di processi industriali veri e propri. L’applicazione primaria è nella industria alimentare: formaggio, yogurt, vino, lievito, panificazione... Farmaceutica: sulfammidici, anseolitici, enzimi.... Agraria: piante resistenti ai parassiti, fertilizzanti e insetticidi (agrofarmaci) prodotti per via enzimatica e quindi più facili da biodegradare. Zootecnia: mangimi bilanciati, selezione delle razze. Industria tradizionale: per svincolarsi dal petrolio nella produzione di solventi, polimeri, intermedi di sintesi...

3. PRINCIPALI VANTAGGI • Uso di soluzioni acquose e pH circa neutro (minor inquinamento e ambiente non aggressivo-corrosivo); • Temperature basse (basso dispendio energetico); • Flessibilità degli impianti; • Ottima selettività (purezza del prodotto); • Minor inquinamento rispetto alla chimica “classica”.

4. Microorganismi Definition A living organism that is microscopic or submicroscopic, which means it is too small to be seen by the unaided human eye (100 mm). Microorganisms were first observed by Anton van Leeuwenhoek in 1675 using a microscope of his own design. Examples of microorganisms include bacteria, fungi, archaea, and protists. Viruses and prions, although microscopic, are not considered microorganisms by others because they are generally regarded as non-living.

5. Dimensioni caratteristiche (Å)

6. I microorganismi sono “viventi”, ma quale è la definizione di vita? There is no universal definition of life. There are a variety of definitions proposed by different scientists. To define life in unequivocal terms is still a challenge for scientists.

7. Conventional definition: Often scientists say that life is a characteristic of organisms that exhibit the following phenomena: Homeostasis: Regulation of the internal environment to maintain a constant state; for example, sweating to reduce temperature. Organization: Being composed of one or more cells, which are the basic units of life. Metabolism: Consumption of energy by converting nonliving material into cellular components (anabolism) and decomposing organic matter (catabolism). Living things require energy to maintain internal organization (homeostasis) and to produce the other phenomena associated with life. Growth: Maintenance of a higher rate of synthesis than catabolism. A growing organism increases in size in all of its parts, rather than simply accumulating matter.

8. Adaptation: The ability to change over a period of time in response to the environment. This ability is fundamental to the process of evolution. Response to stimuli: A response can take many forms, from the contraction of a unicellular organism when touched to complex reactions involving all the senses of higher animals. A response is often expressed by motion (the leaves of a plant turning toward the sun or an animal chasing its prey). Reproduction: The ability to produce new organisms. Reproduction can be the division of one cell to form two new cells. Usually the term is applied to the production of a new individual (either asexually or sexually, from at least two differing parent organisms), although strictly speaking it also describes the production of new cells in the process of growth.

9. Sistematica ramo della biologia che studia la classificazione dei viventi Tassonomia sistema di classificazione gerarchica dei gruppi, basato sulle loro relazioni evolutive

10. I REGNI VIVENTI Agli albori della sistematica naturalistica, i viventi erano divisi in due soli regni: vegetale ed animale. Per il naturalista Linneo (1707-1778), gli animali si distinguevano dalle piante perché, a differenza di queste, sono esseri viventi dotati di sensibilità. In seguito, con l’aumento delle conoscenze sulle caratteristiche e la biologia delle diverse forme di vita, questa distinzione si è rivelata insufficiente. In particolare è risultato che numerose forme ad organizzazione meno complessa, tra cui molti unicellulari, sfuggono a una simile suddivisione.

11. L'aumento di conoscenze sui batteri ha inoltre portato a riconoscere una prima fondamentale distinzione tra i viventi in: Procarioti Eucarioti Oggi procarioti ed eucarioti vengono per lo più considerati due super-regni (o dominii) distinti. Anzi, secondo molti sistematici, la grande varietà presente all’interno dei procarioti suggerirebbe di suddividere i viventi addirittura in tre dominii, due dei quali corrispondono agli attuali procarioti.

12. Eucarioti Procarioti I tre dominii dei viventi secondo uno schema di albero filogenetico universale. Bacteria e Archaeacomprendono i procarioti, Eukarya gli eucarioti.

13. Col procedere delle conoscenze sistematiche, nuovi regni sono stati individuati e descritti sia all’interno dei procarioti che degli eucarioti. Seguendo un criterio strettamente filogenetico, secondo cui ogni categoria tassonomica dovrebbe riunire tutti e solo gli organismi che hanno avuto origine da un antenato comune, si è arrivati a classificare i viventi in un numero elevatissimo di regni.

14. Progressione della classificazione dei regni e dei domìni

15. Tuttavia, dal momento che i legami filogenetici tra i vari gruppi di organismi non sono stati ancora completamente chiariti e numero e nomi dei regni cambiano frequentemente a scapito della chiarezza, comunemente ci si riferisce alla suddivisione in cinque regni di Whittaker(uno di procarioti e quattro di eucarioti). In particolare il grande regno dei protisti, che riunisce gli eucarioti a organizzazione meno complessa, prevalentemente di ambiente acquatico, è poco più che un regno “di risulta”, cioè un insieme eterogeneo che riunisce tutte le forme che non rientrano negli altri regni. Per questo motivo, la maggior parte degli studiosi che si occupano di questi organismi (alghe, organismi fungoidi, protozoi, ecc.) non riconosce il regno dei protisti, che viene suddiviso in regni più piccoli ed omogenei.

16. I REGNI VIVENTI secondo la teoria dei 5 Regni: Monera (procarioti) - archibatteri - eubatteri Protista (protisti) Plantae (piante) Fungi (funghi) Animalia (animali) • I regni sono individuati in base a: • tipo cellulare • complessità strutturale • tipo e modalità di nutrizione

25. Sia procarioti che eucarioti hanno una organizzazione cellulare Questo consente loro una vita autonoma, grazie alla presenza di una membrana limitante e di sistemi intracellulari necessari ad esplicare le attività vitali fondamentali. I virus, invece, non hanno organizzazione cellulare, sono assai più semplici dei procarioti e, soprattutto, essendo costituiti essenzialmente da DNA ed RNA, sono parassiti obbligati, in quanto incapaci di riprodursi se non all’interno di una cellula procariota o eucariota. Per questo motivo non si considerano “viventi” o comunque sono al confine fra vivente e non-vivente, qualora ci si riferisca alla definizione di vita che prevede la capacità di riprodursi.

26. I procarioti (dal greco Pro- 'prima, davanti' e Karyon'nucleo') (o Monere) sono organismi unicellulari (o, al più, coloniali) composti da una cellula semplice e primitiva (procellula) di dimensioni dell'ordine del micrometro (da 0.5 a 3 micron), senza membrana nucleare o altre suddivisioni interne. Gli eucarioti (dal greco eu, perfetto e karyon, nucleo) sono organismi mono- o pluricellulari costituiti da cellule dotate di nucleo, dette eucellule, più complesse ed evolute delle cellule procariote.

27. Le Monere Appartengono a questo regno tutti i procarioti, sia quelli esclusivamente aerobi, che quelli esclusivamente anaerobi. Questo regno ha 2 phylum principali: 1 -alghe azzurre (o cianobatteri). L’uso del termine alghe sta ad indicare che possiedono caratteristiche comuni con parecchi gruppi di eucarioti, anch’essi chiamati alghe. Contengono clorofilla e sono in grado di compiere la fotosintesi (liberano ossigeno come prodotto secondario). 2-batteri. Sono procarioti che non possiedono clorofilla e non liberano ossigeno come prodotto secondario. Si dividono a loro volta in Archeobatteri e Eubatteri.

28. Il regno delle Monere è quindi costituito da: Cianobatteri Archeobatteri Eubatteri

29. I batteri possono essere eterotrofi o autotrofi Si definiscono come organismi autotrofi (dal greco "autos" = da se stesso e "trophos" = alimentazione) quelli capaci di nutrirsi utilizzando solamente semplici sostanze inorganiche, come avviene per le Piante che necessitano solo di anidride carbonica ricavata dall'aria, di acqua e sali minerali assorbiti dal terreno. Le piante sono fotoautotrofe perché utilizzano il Sole come fonte di energia ; in casi molto più rari, come accade per alcuni batteri, l'organismo ricava l'energia necessaria dall'ossidazione di sostanze inorganiche (chemioautotrofia).

30. Gli organismi eterotrofi (dal gerco "héteros" = altro, differente) si nutrono di sostanze organiche prodotte dagli organismi autotrofi: è tipico il caso degli Animali che si alimentano direttamente (erbivori) o indirettamente (carnivori) di vegetali. Un caso importante di eterotrofismo è quello dei decompositori capaci di nutrirsi di detriti organici di animali e piante presenti nel terreno.

31. Dal punto di vista del metabolismo, si individuano, all'interno di questo regno, 4 principali gruppi di batteri: 1 - Fotoautotrofi: Sintetizzano i composti organici partendo dalla anidride carbonica ed utilizzando come fonte energetica la luce solare. 2 - Fotoeterotrofi: Utilizzano la luce per generare energia sottoforma di ATP, ma non sono in grado di fissare l'anidride carbonica, necessitano quindi di carbonio organico.

32. 3 - Chemioautotrofi: Sono in grado di fissare l'anidride carbonica ed ossidano composti inorganici per ricavare energia. 4 - Chemioeterotrofi: Traggono energia e componenti strutturali da sostanze dell’ambiente circostante.

33. CELLULE PROCARIOTE Crescono rapidamente; ad esempio possono raddoppiare di massa, numero e dimensioni nel giro di 20 minuti. Sono molto versatili, possono accettare una gran varietà di nutrienti e anche selezionare il miglior nutriente fra molti, sono quindi capaci di adattarsi rapidamente ad una gran varietà di ambienti. Sono caratterizzate da una struttura non compartimentalizzata, molto primitiva.

35. 1 Capsula Parete rigida (detta capsula, glicocalice, strato mucoso, ecc) spessa circa 200 Å, costituita da peptidoglicano = catene parallele polisaccaridiche tenute assieme da ponti peptidici). 2 Parete cellulare

36. 3 Membrana citoplasmatica Membrana plasmatica o plasmalemma di natura lipoproteica, spessa circa 70 Å.

37. 4 Citoplasma All'interno del plasmalemma, è localizzato il citoplasma. Il citoplasma occupa circa la metà del volume totale della cellula e vi si trovano disperse tutte le sostanze chimiche vitali tra cui sali, ioni, zuccheri, una grande quantità di enzimi e proteine e la maggior parte dell'RNA. L'acqua costituisce circa l'80% delle sostanze contenute nel citoplasma.

38. 5 Ribosomi Organuli devoluti alla sintesi delle proteine e contenenti RNA e proteine.

39. 6 Mesosoma • Il mesosoma è un ripiegamento della membrana citoplasmatica di forma irregolare. • I mesosomi svolgono molte delle funzioni della membrana citoplasmatica: • mesosomi settali: intervengono nella divisione cellulare e tengono legato il DNA facilitando la separazione dei due cromosomi e la produzione del setto trasverso • mesosomi respiratori: contengono la maggior parte dei citocromi e degli enzimi respiratori • mesosomi biosintetici: contengono enzimi che intervengono nella sintesi dei componenti della parete. • mesosomi fotosintetici • mesosomi sporali: essenziali per la formazione dell' endospora

40. 7 Nucleoide Regione dalla forma irregolare, che contiene materiale genetico. Il nucleoide è formato da un'associazione di proteine di cui solamente alcune sono note, si stima che siano almeno una dozzina. Queste proteine si complessano con il DNA genomico dei procarioti modulandone la trascrizione. Il nucleoide è largamente composto da RNA (circa 60%) e proteine.

41. 8 Flagello Sono appendici cellulari, lunghe e sottili che hanno una funzione motoria. Consentono alle cellule di muoversi in funzione delle differenze di composizione del mezzo in cui si trovano. I batteri sono ad esempio in grado di riconoscere dei gradienti di concentrazione di certe sostanze e, a seconda che siano attraenti (es nutrienti) o repellenti (tossiche), di muoversi verso le zone di maggiore o minore concentrazione (movimenti chemiotattici). Possono anche muoversi rispondendo a gradienti di concentrazione dell’ossigeno (movimenti aerotattici) e, nel caso dei batteri fotosintetici flagellati, alla presenza di zone diversamente illuminate (movimenti fototattici).

42. I pili possono funzionare come organo di ancoraggio

43. BATTERI • procariotiunicellulari, non hanno organelli citoplasmatici specializzati e, ad eccezione dei ribosomi, non hanno nucleo; • il loro DNA è una molecola circolare La riproduzione è di tipo asessuato, si hanno tuttavia meccanismi di scambio di piccole quantità di materiale genetico, come eventi disgiunti dalla riproduzione. La divisione cellulare dei batteri avviene dopo che il batterio ha duplicato il materiale genetico ed è aumentato in dimensione, per scissione binaria. I batteri possiedono una parete cellulare e se le condizioni ambientali diventano sfavorevoli, alcuni sono in grado di formare spore resistenti. Le spore possono rimanere quiescenti a lungo, nell'attesa che le condizioni ambientali tornino favorevoli.

44. Cianobatteri o Alghe azzurre Phylum comprendente organismi unicellulari fotosintetici nei quali il materiale nucleare non è delimitato da membrana e mancanti anche di altre strutture cellulari specializzate. I cianobatteri contengono lo stesso tipo di clorofilla delle piante superiori, che però, in assenza dei cloroplasti, è distribuita in tutta la cellula. In molte specie la clorofilla è mascherata da altri pigmenti che impartiscono ai microrganismi una colorazione bluastra o rossastra. La riproduzione avviene per semplice divisione cellulare o per frammentazione dei filamenti.

45. I cianobatteri si trovano in tutto il mondo, in diversi habitat: sono abbondanti sulla corteccia degli alberi, sulle rocce e nei terreni umidi, dove compiono la fissazione dell'azoto; alcuni convivono in simbiosi con i funghi per formare i licheni. Vivono anche in ambienti estremi, come le sorgenti calde, a temperature fino a 73 °C o negli anfratti delle rocce del deserto. Nei climi caldi alcune specie danno luogo a grandi fioriture, a volte tossiche, sulla superficie di stagni o di acque costiere.

46. Nelle acque basse tropicali, strati di cianobatteri si cementano con i sedimenti formando particolari strutture fossili, dette stromatoliti. Le stromatoliti fossili si trovano in rocce formate più di 3 miliardi di anni fa, durante il periodo precambriano. Queste antiche formazioni indicano che i cianobatteri hanno probabilmente avuto un ruolo fondamentale nella trasformazione dell'antica atmosfera terrestre, ricca di biossido di carbonio, in quella odierna, ricca di ossigeno. Alcuni cianobatteri sono azotofissatori e, pertanto, arricchiscono di azoto gli habitat dove si trovano, come le risaie. Un genere di cianobatteri, Spirulina, comprende specie coltivate e utilizzate come alimento tradizionale in alcune regioni del Messico e dell'Africa centrale.

47. Archeobatteri Gli archeobatteri possiedono una membrana cellulare formata da lipidi chimicamente differenti da quelli che compongono la membrana di tutti gli altri procarioti ed eucarioti. Come gli eubatteri, possiedono inoltre una parete esterna alla membrana, anche se di natura chimica diversa. Questi organismi vivono perlopiù in condizioni ambientali estreme, nelle quali la vita per altri viventi sarebbe impossibile o comunque molto difficile.

48. In base al loro ambiente, si distinguono tre gruppi di archeobatteri: Metanogeni - vivono in ambienti di acqua stagnante; sono chemioautotrofi, e utilizzano l'anidride carbonica trasformandola in CH4; hanno un ruolo molto importante nel ciclo del carbonio. Termoacidofili - vivono in sorgenti termali calde e negli sbocchi idrotermali, e sopportano temperature molto elevate; possono essere eterotrofi o chemiosintetici. Quelli chemiosintetici utilizzano ossidi di zolfo trasformandoli in acido solfidrico, H2S. Alofili - vivono in acque molto salate; sono per più eterotrofi.

49. Eubatteri Gli eubatteri comprendono la maggior parte dei restanti batteri e sono le forme che si incontrano comunemente, quelli che abitano il suolo, l’acqua e gli organismi viventi più grandi.

50. I batteri si distinguono per forma in: Bacilli: a bastoncino