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 processi biologici
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.
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...
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”.
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.
Dimensioni
caratteristiche (Å)
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.
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.
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.
Sistematica
ramo della biologia che studia la classificazione
dei viventi
Tassonomia
sistema di classificazione gerarchica
dei gruppi, basato sulle loro relazioni evolutive
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.
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.
Procarioti
Eucarioti
I tre dominii dei viventi secondo uno schema di albero filogenetico
universale. Bacteria e Archaea comprendono i procarioti, Eukarya gli
eucarioti.
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.
Progressione della classificazione dei regni e dei domìni
Haeckel
(1894)
Tre regni
Whittaker
(1969)
Cinque regni
Woese (1977)
Sei regni
Animalia
Animalia
Animalia
Animalia
Fungi
Fungi
Fungi
Plantae
Plantae
Protista
Protista
Plantae
Woese
(1990)
Tre domini
Eukarya
Cavalier-Smith (2004)
Due domini
e sei regni
Eukaryota
Plantae
Chromista
Protozoi
Protozoi
Monera
Archeabacteria
Archaea
Eubatteri
Bacteria
Prokaryota
Batteri
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.
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
I CINQUE REGNI DEL MONDO VIVENTE
organizzazione
cellulare
materiale genetico
MONERA
PROTISTI
FUNGHI
PIANTE
ANIMALI
procariota
eucariota
eucariota
eucariota
eucariota
DNA non associato
DNA
DNA
DNA associato a
DNA
a proteine in
associato a proteine associato a proteine
proteine in
associato a proteine
cromosomi
in cromosomi
in cromosomi
cromosomi
in cromosomi
membrana nucleare
assente
doppia o singola
doppia
doppia
doppia
organuli cellulari
delimitati da
membrane
cloroplasti
assenti
presenti
presenti
presenti
presenti
assenti
presenti o assenti
assenti
presenti
assenti
parete cellulare
non cellulosica
assente o presente; in genere chitinosa
cellulosica o di vario
tipo
cellulosica
assente
nutrizione
autotrofa,
eterotrofa per
assorbimento
autotrofa, eterotrofa
per assorbimento o
fagocitosi
eterotrofa per
assorbimento
autotrofa
eterotrofa per
ingestione
organizzazione
cellulare
unicellulari
unicellulari o
pluricellulari poco
differenziati
pluricellulari
pluricellulari
pluricellulari
sistema nervoso
assente
assente
assente
assente
presente, spesso
complesso
respirazione
aerobia o anaerobia
aerobia
aerobia o anaerobia
aerobia
aerobia
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.
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.
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.
Il regno delle Monere è quindi costituito da:
Cianobatteri
Archeobatteri
Eubatteri
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).
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.
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.
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.
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.
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
3 Membrana citoplasmatica
Membrana plasmatica o plasmalemma di natura lipoproteica,
spessa circa 70 Å.
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.
5 Ribosomi
Organuli devoluti alla sintesi delle proteine e contenenti RNA e
proteine.
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
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.
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).
I pili possono funzionare come organo di ancoraggio
BATTERI
• procarioti unicellulari, 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.
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.
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.
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.
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.
In base al loro ambiente, si distinguono tre gruppi di
archeobatteri:
1. 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.
2. 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.
3. Alofili - vivono in acque molto salate; sono per più eterotrofi.
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.
I batteri si distinguono per forma in:
Bacilli: a bastoncino
Cocchi: a sfera; se si dispongono a coppia si chiamano
diplococchi, a catena si chiamano streptococchi, a grappolo si
chiamano stafilococchi
Spirilli: a spirale
Vibrioni: a virgola
Vibrio cholerae
Spirochete: costituiscono un phylum eterogeneo di batteri a
forma di spirale e dotati di filamenti assiali simili ai flagelli,
fissati ad ambedue le estremità, le cui contrazioni
consentono loro di muoversi.
RIPRODUZIONE
Il processo di riproduzione più comune è la scissione binaria (o
amitosi) in cui la cellula si divide in due sviluppando una parete
trasversale.
Ci sono altre forme di riproduzione: es produzione di spore, altri
generano lunghi filamenti che si frammentano in tante piccole
nuove cellule, gemmazione (al peduncolo di una cellula si
sviluppa una escrescenza che dopo un certo tempo si separa,
originando un nuovo organismo).
Esiste anche comportamento parasessuale: coniugazione, un
pilo (pilo sessuale o pilo F) serve come porta d’ingresso per il
trasferimento di materiale genetico dal donatore (maschio)
all’accettore (femmina).
CONIUGAZIONE
CELLULE EUCARIOTE
Caratteristica distintiva, rispetto ai procarioti, è la presenza di
un nucleo ben definito e isolato dal resto della cellula tramite
l'involucro nucleare, nel quale è racchiusa la maggior parte del
materiale genetico, il DNA (una parte è contenuta nei
mitocondri).
Eucarioti possono essere sia unicellulari, sia pluricellulari.
Le cellule eucariote hanno dimensioni maggiori di quelle
procariote (da pochi micron ad alcuni centimetri) e possono
essere notevolmente diversificate.
La cellula è caratterizzata da una notevole complessità
strutturale e soprattutto dalla compartimentazione di molte
funzioni entro organuli specifici delimitati da membrana.
Ognuno degli organuli immersi nel citoplasma è deputato a
svolgere una particolare funzione.
Membrana cellulare, o plasmatica, che delimita la cellula e
consente selettivamente scambi con l’esterno.
Membrana cellulare
Reticolo
endoplasmatico
Reticolo endoplasmatico rugoso (o
ruvido, o granulare) provvisto di
ribosomi ha la funzione di sintetizzare
proteine.
Reticolo endoplasmatico liscio. È il maggior responsabile della sintesi dei lipidi, degli ormoni
steroidei e del metabolismo del glicogeno. Ha come compito quello di detossificare sostanze
dannose per l'organismo, come ad esempio l'etanolo. E’ sede primaria del metabolismo di
fosfolipidi, acidi grassi e steroidi, serve a sintetizzare i lipidi utili per costruire e riparare tutte
le membrane della cellula. Il REL ha anche la funzione di immagazzinare ioni calcio.
Apparato di Golgi
Ha la funzione di trasportare le proteine sintetizzate in altri
componenti cellulari. Altra funzione è la sintesi di lipidi.
Apparato di Golgi
Ribosomi
Organuli scuri composti da RNA ribosomiale (r-RNA) e
materiale proteico, la loro funzione è quella di sintetizzare le
proteine.
Lisosomi
Che contengono enzimi idrolitici e sono devoluti alla
digestione endo ed extracellulare.
Mitocondri
Che costituiscono le centrali energetiche della cellula, essendo
predisposti alla sintesi dell’ATP.
Cloroplasti
(cellule vegetali) devoluti alla fotosintesi.
etc
Nel nucleo sono localizzati uno o più nucleoli e la cromatina, che
durante la divisione cellulare si organizza nei cromosomi. Il nucleolo
non è delimitato da membrana ed è costituito prevalentemente da
RNA associato a proteine. Sua funzione è quella di presiedere alla
biosintesi dei ribosomi citoplasmatici.
RIPRODUZIONE
Mitosi
processo attraverso il quale una cellula si divide in due cellule figlie
che risultano geneticamente e morfologicamente identiche tra
loro e alla cellula madre. Ciò presuppone la duplicazione del DNA
della cellula madre, la formazione di due copie identiche che
vengono ripartite nelle cellule figlie, la suddivisione del citoplasma
e la distribuzione degli organuli in esso presenti nelle due nuove
cellule.
Meiosi
da una cellula si formano quattro cellule figlie, aventi la metà del
patrimonio genetico di quella originaria.
In altri termini, la meiosi determina la ripartizione di ciascuna
coppia di cromosomi omologhi (cromosomi su cui si trovano geni
corrispondenti) presenti nelle cellule diploidi.
In altri termini ancora, la meiosi è un processo mediante il quale
una cellula eucariotica con corredo cromosomico diploide dà
origine a quattro cellule con corredo cromosomico aploide.
Tramite meiosi è prodotta la ricombinazione genetica.
La meiosi si differenzia dalla mitosi, nella quale si formano cellule
figlie aventi lo stesso patrimonio genetico della cellula madre.
La diversità genetica viene mantenuta dalla riproduzione
sessuata, che comprende cicli cellulari con ricombinazione
dell'informazione genetica proveniente da cellule di due
organismi differenti (padre e madre).
Ogni genitore fornisce un corredo cromosomico detto aploide
(cellula uovo nella femmina e spermatozoo nel maschio).
La fusione che dà origine ad una singola cellula detta zigote,
viene chiamata fecondazione.