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Microrganismi di interesse biotecnologico

Materiale didattico per il corso di Chimica e Biotecnologie delle Fermentazioni riguardante i seguenti argomenti:- I microrganismi di interesse biotecnologico;- I microrganismi della fermentazione e i loro impieghi a livello industriale;- Conduzione di coltura e metodi di conservazione dei batteri.

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Microrganismi di interesse biotecnologico
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Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo I microrganismi di interesse biotecnologico Fermentazioni Industriali Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali I laboratori della fermentazione: I microrganismi utilizzati nei processi fermentativi Organismi di interesse nei processi fermentativi Batteri Lieviti & Funghi Cellule di Mammifero BATTERI LIEVITI Escherichia coli, Bacillus spp., Saccharomyces spp., Candida spp.; Pichia p. Pseudomonas spp., •CELLULE ANIMALI STREPTOMICETI Attinobatteri, Streptomiceti, Corinebatteri, batteri propionici FUNGHI Penicillium spp., Aspergillus spp Mammalian cell Chinese Hamster Ovary Cells (CHO) Ibridomi Cellule di insetto (virus) Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali I microrganismi utilizzati nei processi fermentativi: alcune caratteristiche Batteri Lieviti Funghi Cellule di mammifero Velocità di crescita ***** *** ** * Facilità di manipolazione genetica ***** *** ** ** Resistenza meccanica **** **** **** * * ** ** **** - ** ** **** Produzione proteine con corretta conformazione Produzione Proteine glicosilate e tipologia di glicosilazione Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Escherichia coli Escherichia coli è diventato il microrganismo modello per lo studio di molti procesi essenziali della vita. Ciò in parte è dovuto alla sua elevatissima velocità di crescita e alle semplici richieste ambientali e nutrizionali à la sua genetica è stata studiata nei particolari e la sua mappa genetica è stata completamente delineata. Si può dire che oggi è uno degli organismi meglio conosciuti. Escherichia coli è un microrganismo Gram-negativo appartenente al grupo γ dei proteobatteri. Poiché primariamente vive nell’intestino dei mammiferi esso è stato raggruppato tra gli enterobatteri (Famiglia delle Enterobatteriacee). È un microrganismo bastoncellare (rod shaped) di circa 2 µm di lunghezza e 0.5 µm larghezza, che può crescere rapidamente tramite fissione binaria Esistono ceppi di E. coli patogeni (O157:H7 ) e ceppi non patogeni come E. coli K-12. Il K12 è stato il primo microrganismo ad essere preso in considerazione per la mappatura completa del suo genoma. E. coli possiede un singolo cromosoma circolare con 4,639,221 bp (coppie di basi) e 4288 geni codificanti proteine. Di questi geni circa il 38% non hanno una funzione attribuita. Il coli K12 differisce dai ceEspandi »ppi patogeni per circa il 15% del genoma. Questo spiega come, pur appartenendo alla stesa specie, essi siano differenti. Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Escherichia coli E. coli è un microrganismo aerobio facoltativo, eterotrofo (per ottenere energia deve ossidare composti organici ridotti) e prototrofo (capaci di crescere in un terreno “minerale” con un’unica fonte di C e di energia). Può ricavare energia metabolica sia usando O2 come accettore finale (respirazione aerobica: O2 à H2O) che nitrato (NO3- à N2) o altri composti ossidati (SO4= àS=) (respirazione anaerobica). In assenza di entrambi può fermentare una ampia gamma di zuccheri e molecole organiche producendo gas e acidi (fermentazione acido mista) Optimum di crescita è 37-42 °C con tempi di generazioni variabili tra 20 minuti (in terreni ricchi) ed 1,5 h (in terreni minimi). Internet àWWW. Ecocyc.org Nel 1973 Cohen, Chang, Boyer, ed Elling costruiscono in vitro una molecola di DNA legando insieme frammenti di DNA plasmidico ,ottenuti estratti da E. coli per digestione con l’enzima di restrizione EcoR1. Reintrodotte in E. coli queste molecole si replicano. à nasce l’ingegneria genetica Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Escherichia coli E. coli è un microorganismo principalmente utilizzato nella Ingegneria genetica come: àSistema di clonaggio intermedio àSistema di produzione di vettori per la terapia genica àOspite per la produzione di proteine ricombinanti (non glicosilate) à Produzione di metaboliti primari e secondari Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Escherichia coli The use of E. coli strains as ‘factories’ for protein synthesis is one of the oldest and bestknown production techniques and is widely employed in industry throughout the world, due to its ease of use, robustness and lower costs. • The genome of E. coli has been completely sequenced and the information is available in public databases. • E. coli has played a major historic role in the production of commercially important proteins such as hormones, cytokines and enzymes. • A large number of well-characterised expression vectors are readily available for producing the protein of interest, either intracellularly or secreted to the periplasm (often in the correctly folded form) or as fusion proteins to a wide range of tags, which can also be used in downstream processing for rapid purification. • Considerable knowledge has been accumulated concerning the molecular genetics of this bacterium and gene manipulation tools have been developed to create genetically altered E. coli strains each with different characteristics. Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Introduzione Microbiologia Metabolismo Stechiometria e cinetica Tecniche fermentative Fermentatori Fasi e Controlli di processo Fermentazioni Industriali Bacillus subtilis Bacillus subtilis è un batterio Gram-positivo, catalase-positivo che si trova normalmente nella terreno. Rientra nel genere Bacillus, il B. subtilis ha la capacità di formare una endospora, tenace e protettiva che consente all’organismo di sopportare condizioni ambientali estreme. Diversamente da altre specie ben note, il B. subtilis storicamente è stato classificato come un aerobio obbligato. L’interesse per la specie Bacillus è storicamente legato all’uso in fermentazioni alimentari: un ceppo del B. subtilis conosciuto in passato come Bacillus natto viene impiegato nella produzione commerciale della prelibatezza Giapponese natto. Proprio per mquesta sua assenza di patogenicità è definito GRAS (Generally Regarded As Safe) Il suo uso industriale è aumentato « Comprimi
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