Transcript Presentazione_De_Rosa - Scuola di Specializzazione in

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
microbiologia
genetica
biochimica
chimica
elettronica
scienze
ingegneria
dell'alimentazione
biochimica
ingegnerie delle
ingegneria chimica
ingegneria meccanica
tecnologie alimentari
Le moderne biotecnologie
sono caratterizzate da un
elevato grado di pervasività
in tutti i comparti produttivi
• 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
•
nuove varietà di piante coltivate e di animali, nuovi fertilizzanti e
pesticidi
• Agricoltura/zootecnia/silvicoltura/orticoltura
• Industria alimentare
•
una vasta gamma di nuovi prodotti alimentari, ingredienti e bevande
•
smaltimento dei rifiuti, biorisanamento, produzione di energia
•
vari tipi di reagenti, tra cui enzimi, DNA/RNA, prodotti chimici
particolari
• Ambiente
• Industria chimica
• Strumentazione
•
impianti, bioreattori, software e attrezzature biotecnologiche ausiliari
Ripartizione degli investimenti U.S.A. per ricerca e
sviluppo
nei
diversi
settori
dell’industria
biotecnologica
Agricoltura
13%
Zootecnia
8%
Chimica/Alimentazione
5%
Atri
4%
Energia/Ambiente
1%
Sanità
69%
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.
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
exhaust air
AIR/O 2
10 l
CW
fresh salt solution
nutrient solution exhaust medium
M
Microfiltration module
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 sono molecole
proteiche
che
negli
organismi
fungono
da
catalizzatori delle reazioni
chimiche che avvengono a
livello cellulare
Sono specifici
Sono efficienti
Sono biodegradabili
Lavorano in mezzi acquosi
Lavorano in condizioni blande di pH e
temperature
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
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
• Il mercato degli enzimi
• I soggetti produttori
• I prodotti
• Le destinazioni d’uso
Il mercato degli enzimi nel mondo
Stima delle vendite di tutti
industrialmente
1983
1995
$ 400
$ 1
milioni
miliardi
Amido
gli
enzimi
impiegati
2005
$1.7-2.0
miliardi
Caseario
Tessile
14%
10%
15%
Altro
29%
Detergenza
32%
Produzione di enzimi industriali
nel mondo occidentale
Nazione
U.S.A.
Giappone
Danimarca
Tonnellate
6360
4240
24910
%
12
8
47
Francia
Germania
Olanda
1590
3180
10070
3
6
19
Regno Unito
Svizzera
1060
1060
2
2
Altri
Totale
530
53000
1
100
Valori approssimati della produzione mondiale di
alcuni enzimi industriali purificati (Tonnellate/anno)
Amiloglucosidasi 350
Proteasi di Bacillus
550
Amilasi di Bacillus
350
Proteasi fungina 15
Glucosio isomerasi 60
Caglio di origine
Pectinasi 20
microbica 25
Amilasi fungina 20
Settore di applicazione
Enzimi usati
Impiego
Problemi
Proteasi, Amilasi,
Lipasi
Lavaggio
Allergie degli addetti alla
lavorazione, oggi superate
tramite incapsulamento degli
enzimi
Detersivi
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
Industria dell’amido
Amilasi, glucoamilasi,
glucosio isomerasi,
Enzimi immobilizzati
Industria tessile
Amilasi
Industria dei prodotti da
forno
Industria del pellame
Industria farmaceutica
Tripsina
Tripsina
Rimozione dell’amido
Rimozione dei peli
Digestivi e diagnostica
La produzione di rennina è
legata all’età dell’animale
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
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
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
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
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
Biotecnologie: un overview
• Biotecnologie ed Energia
• Biotecnologie e Medicina
• Biotecnologie e Ambiente
• Biotecnologie e Alimentazione
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
Biotecnologie: un overview
• Biotecnologie ed Energia
• Biotecnologie e Medicina
• Biotecnologie e Ambiente
• Biotecnologie e Alimentazione
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)
Biotecnologie: un overview
• Biotecnologie ed Energia
• Biotecnologie e Medicina
• Biotecnologie e Ambiente
• Biotecnologie e Alimentazione
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