Biotecnologie - Processi e farmacologia

Microbiologia industriale

Premessa: le biotecnologie in generale non utilizzano esclusivamente microrganismi, ma quelle che li utilizzano particolarmente sono le biotecnologie microbiche.

La microbiologia industriale utilizza le fermentazioni microbiche per produrre beni e servizi.
I prodotti delle biotecnologie microbiche possono essere:
• le biomasse microbiche; come i lieviti detti anche starter fermentazione, fermenti lattici (enterogermina), single cell protein che sono integratori proteici alimentari
• quando sia il substrato di crescita che il catalizzatore/microrganismo stesso vanno a definire il prodotto, ad esempio lo yogurt è il risultato dei lactobacilli (catalizzatori) che vengono fatti crescere nel latte (il substrato)
• da substrato modificato dall’attività microbica; il microrganismo viene fatto crescere sul substrato, il quale viene modificato, e successivamente rimosso. Ad esempio, per il vino il substrato è il mosto, ovvero una soluzione zuccherina di origine naturale, sul quale viene fatto crescere Saccharomyces, una volta che è avvenuta la fermentazione alcolica e il substrato modificato, Saccharomyces viene rimosso. (la stessa cosa accade per la produzione della birra, sidro ecc…)
• metaboliti prodotti durante la crescita dei m.o. sui substrati; possono rimanere all’interno della cellula oppure essere secreti nella cultura. Esempi di questi prodotti sono: gli amminoacidi, vitamine, etanolo, enzimi e antibiotici.
• prodotto da bioconversione (è un servizio); quando un m.o., un enzima o una serie di enzimi vanno a modificare in pochi passaggi enzimatici un substrato. Quindi il substrato viene modificato ma non in maniera radicale dall’attività dei microrganismi presenti o di enzimi selezionati. Esempio: produzione di latte delattosato. Enzima della lattasi, beta galattosidasi, è immobilizzata in un filtro a maglie molto strette attraverso il quale viene fatto passare il latte. In questo modo il lattosio viene scisso dalla beta galattosidasi in glucosio e galattosio e il latte sarà delattosato (è un substrato modificato per bioconversione), ovvero che non contiene più zuccheri sotto forma di lattosio ma di glucosio e galattosio (il latte risulterà più dolce perché il potere dolcificante del glucosio è diverso da quello del lattosio).

Fasi del processo biotecnologico

• UPSTREM: individuare il microrganismo, formulare la composizione del terreno e mettere appunto le condizioni di coltura (parametri fisici temperatura, ossigeno, pH…), coltivare il m.o., migliorare il m.o., decidere il tipo di processo e pianificare la struttura dei bioreattori (contenitore attivo all’interno del quale avviene il processo, sono funzionali e controllano le condizioni di crescita).
A questo punto all’interno del bioreattore ci sarà il m.o. che è cresciuto e il terreno di coltura
• DOWNSTREAM: avviene dopo e riguarda il recupero del prodotto. Per migliorare questa fase che è molto complessa, si deve agire nell’upstream.

Attori dei processi biotecnologici

Sono i catalizzatori biologici:
• Cellule procariotiche; batteri
• Cellule eucariotiche (quindi pluricellulari) di mammiferi, piante e insetto, muffe e lieviti
Per isolare i microrganismi che hanno caratteristiche interessanti per un dato processo si effettua uno screening primario.
I microrganismi sono reperibili dalle collezioni di microrganismi, ovvero delle raccolte di m.o. noti, conservati e catalogati. A queste collezioni vi possono accedere le grandi aziende per testare dei microrganismi e stabilire se sono utili al tipo di processo industriale scelto.
Ma prima di essere collezionati i microrganismi devono essere prelevati dalle loro nicchie ecologiche, quindi dall’ambiente. (E. coli, ad esempio, è stato isolato da delle derivazioni fognarie)
Posso fare uno screening primario, che mi permette di fare un isolamento e una prima identificazione,
• Usando un m.o. di una collezione, e quindi di microrganismi nuovi dei quali vengono valutate le loro caratteristiche
• Prelevando e isolando un microrganismo da ambienti già arricchiti in cui le condizioni ambientali hanno favorito la moltiplicazione di m.o. che si sono adattati (a seconda delle caratteristiche che si stanno cercando si possono andare a ricercare i microrganismi in ambienti in cui c’è già stata una selezione naturale)
Esempi:
Azienda biotech che si occupa di risanamento ambientale: si vuole produrre un m.o. che riesca a degradare gli idrocarburi e che quindi possa essere utilizzato per andare a risanare ambienti inquinati dal petrolio. Il m.o. in questo caso verrà isolato da un ambiente che ha già fatto una selezione.
Se si cercasse un produttore di antibiotici invece bisognerebbe fare uno screening a tappeto perché si trova ovunque, anche nelle grotte. Gli antibiotici ai batteri servono per la competizione, alcuni batteri vengono inibiti altri no e possono crescere.

Una volta isolati e identificati determinati batteri, bisogna fare una selezione e quindi scegliere quelli che hanno caratteristiche migliori, magari quelli che producono una sostanza nuova oppure quelli che producono una sostanza già conosciuta ma in maniera più abbondante e redditizia (con una resa maggiore rispetto a processi che sono già in uso per produrre quella sostanza).
Se la sostanza prodotta è completamente nuova devono essere valutate: l’attività biologica (cosa fa) e la tossicità (con dei test di tipo farmacologico si determina come viene assorbita, distribuita ed escreta).