Il carbonio è un componente essenziale del sistema terrestre e fondamentale per l’esistenza della vita sulla Terra. Questa importanza deriva dalla sua capacità di combinarsi con elementi come ossigeno, azoto e fosforo, e con l’idrogeno, formando molecole organiche essenziali per il metabolismo cellulare.
Il carbonio atmosferico, presente come anidride carbonica (CO2) e metano (CH4), svolge un ruolo cruciale nella regolazione del clima terrestre, intrappolando il calore nell’atmosfera. Questo fenomeno, noto come effetto serra, è influenzato da CO2 e CH4, insieme ad altri gas serra (GHG) come il vapore acqueo e il protossido di azoto (N2O), mantenendo il clima della Terra in un intervallo abitabile.
Lo scambio di carbonio tra l’atmosfera e la biosfera terrestre avviene tramite fotosintesi e respirazione. Il carbonio viene rimosso dall’atmosfera mediante la fotosintesi e fissato dalle foglie, radici, steli e dalla biomassa legnosa, per poi essere restituito all’atmosfera attraverso la respirazione autotrofica (pianta) e la respirazione eterotrofica (microbica) dei rifiuti vegetali e del carbonio del suolo.
Le biotecnologie contribuiscono alla difesa ambientale, non solo facilitando lo smaltimento di rifiuti e il ripristino di ambienti inquinati, ma anche permettendo la produzione di beni di largo impiego con metodi meno inquinanti, sia per i reagenti che per i reflui. In questo contesto, le biotecnologie offrono un contributo significativo alle nuove tecniche di sintesi di prodotti chimico-industriali, agroalimentari e farmaceutici, e al pretrattamento di prodotti di largo consumo, riducendo il potenziale inquinante rispetto ai processi tradizionali.
Applicazioni delle Biotecnologie
Le biotecnologie trovano applicazione in diversi settori, tra cui le produzioni chimiche e agroindustriali. Un altro settore applicativo riguarda l'introduzione di processi meno inquinanti dei corrispondenti processi chimici, che non implichino l'uso di solventi organici o di catalizzatori a base di metalli pesanti, oppure che introducano selettivamente specifici gruppi funzionali in composti chimici, in condizioni di processo blande (temperatura e pressione ambiente, acqua come solvente, pH vicino alla neutralità, ecc.).
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Le biotecnologie possono essere utilizzate anche per l'impiego di biotrasformazioni che creano intermedi o prodotti finiti per i quali non esista un'idonea sintesi chimica, come gli intermedi chirali per la produzione di farmaci o di fitofarmaci, o per la rimozione di sostanze tossiche nei processi di trattamento di materie prime fossili, come la desolforazione del petrolio o carbone o l'impiego di microrganismi nei processi estrattivi di metalli.
Tra le applicazioni future, si prevede la produzione, mediante coltivazioni estensive di specie vegetali modificate mediante l'ingegneria genetica, di prodotti chimici specialistici ad alto valore aggiunto, come nuove proteine, carboidrati, enzimi vegetali, oli e grassi particolari, materie plastiche biodegradabili, nuovi farmaci e così via.
Miglioramento Genetico delle Piante
La manipolazione dello sviluppo, dei metabolismi e della resistenza alle malattie e ai parassiti sono da sempre gli obiettivi del miglioramento genetico delle piante coltivate. Le biotecnologie offrono strumenti nuovi e straordinari al miglioramento genetico. L'aspetto innovativo dell'approccio biotecnologico è la possibilità di identificare e manipolare i geni preposti alle varie funzioni vitali delle piante e la possibilità di creare piante transgeniche, in cui uno o più di questi geni sono modificati o espressi con modalità diverse da quelle naturali.
Una migliore comprensione dei metabolismi del carbonio, dei carboidrati e dei composti azotati, dei meccanismi molecolari di adattamento delle piante e delle interazioni tra piante e microrganismi, permetterà di creare varietà capaci di crescere in condizioni ambientali estreme e su terreni marginali, limitando l'uso dei fertilizzanti chimici, inquinanti e costosi. La maturazione dei fiori e dei frutti, controllata geneticamente, può anch'essa essere modificata.
Piante più nutrienti potranno essere create alterando la composizione delle proteine di riserva del seme che, per i raccolti più importanti (cereali e leguminose), rappresentano la parte commestibile del raccolto. I geni che codificano le proteine di riserva del seme sono stati, peraltro, tra i primi geni delle piante a essere isolati e studiati in dettaglio.
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Particolarmente spettacolari sono i risultati che le biotecnologie hanno già ottenuto nella protezione dei raccolti dagli insetti e dalle malattie. La dimensione economica del problema è in questo caso definita dai 3÷5 miliardi di dollari spesi annualmente nel mondo (con gravissimo danno ambientale) per il controllo chimico dei soli insetti. I primi esempi di piante transgeniche (tabacco e pomodoro), resistenti a insetti grazie a un gene derivato da un batterio, risalgono addirittura al 1987÷1988, e di quegli anni sono anche le prime piante biotecnologiche resistenti a virus, rese tali da un derivato di geni virali. Dal 1996 è stata autorizzata la commercializzazione negli Stati Uniti di numerose piante resistenti agli insetti grazie alla presenza di geni batterici (granoturco, patata, cotone) e di piante resistenti a virus (zucchina, papaya).
Sostituzione del Petrolio con Fermentazione
Dato tuttavia l'elevato inquinamento ambientale determinato da tutte le fasi del ciclo petrolifero (compresi il trasporto e lo stoccaggio), una maggiore sensibilità ecologica sta portando alla sua sostituzione, ove possibile ed economicamente sostenibile, con metodi di sintesi basati sulla fermentazione di substrati naturali a opera di lieviti o di batteri (o di sistemi enzimatici da essi ricavati).
In Brasile oggi quasi 5.000.000 di automobili utilizzano etanolo puro e 9.000.000 una miscela di bioalcol (20%) e benzina. A rendere possibile il 'miracolo' è stato un programma del governo (denominato Proalcol) per il quale sono stati stanziati 6,97 miliardi di dollari. Il risparmio ottenuto riducendo l'importazione di petrolio è stato di 12,48 miliardi di dollari. Inoltre, a San Paolo, i residui della fermentazione della canna da zucchero sono impiegati come concime naturale nelle piantagioni, con un aumento della produttività del 30%. Anche negli Stati Uniti viene prodotto etanolo come carburante; attualmente la produzione è di l miliardo di galloni americani (1 gallone è pari a circa 3,8 l), cioè di 4.000.000 m³.
Produzione di Acidi Organici via Fermentativa
Grande importanza ha anche la produzione di acidi organici per via fermentativa. La produzione di acido citrico (acidulante) mediante la fermentazione di sottoprodotti della lavorazione del grano con Aspergillus niger ha quasi completamente soppiantato la sua estrazione da agrumi, meno economica e assai più inquinante. Analogamente l'acido lattico è ottenuto per fermentazione delle melasse derivanti dalla lavorazione del saccarosio, di sieri di caseificio o di residui dell'estrazione dell'amido dal mais.
Vantaggi dell'Impiego di Catalizzatori Enzimatici
I vantaggi insiti nell'impiego di catalizzatori enzimatici anziché chimici per la trasformazione, la modificazione, la degradazione o la sintesi di composti chimici di natura complessa sono molteplici. Gli enzimi catalizzano quasi ogni tipo di reazioni organiche: ossidazioni, riduzioni, trasferimento intra- o intermolecolare di gruppi, idrolisi, eliminazioni, addizione a doppi legami, isomerizzazioni.
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Lo sviluppo di nuovi biocatalizzatori richiede la valutazione di un gran numero di microrganismi, allo scopo di identificare quelli provvisti dell'attività desiderata e di isolare poi l'enzima o gli enzimi relativi. Le tecniche di coltura microbica idonee a sviluppare ceppi mutanti per reazioni specifiche sono molto importanti, così come le tecniche di isolamento e di rimozione degli enzimi che catalizzano reazioni non desiderate.
Notevoli sviluppi applicativi sono attesi anche dall'ottenimento di enzimi modificati in modo da aumentarne l'attività catalitica e da renderli idonei a operare per lungo tempo in condizioni di processo avverse, quali elevata temperatura, condizioni estreme di pH o di salinità, presenza di solventi organici, ecc. Queste modificazioni strutturali delle molecole enzimatiche saranno rese possibili combinando, sulla base delle informazioni fornite dalle moderne tecniche di indagine strutturale, le tecniche di ingegneria proteica con quelle di trasformazione chimica dei polipeptidi.
Il primo di questi fattori è ormai largamente perseguito dai principali produttori di enzimi, poiché l'attività enzimatica di un microrganismo esistente in natura è in genere troppo bassa per essere di interesse commerciale. Una tecnica molto seguita a questo scopo consiste nell'isolare il gene che codifica l'enzima desiderato e nel clonarlo in un altro organismo (organismo ospite) utilizzando come vettore del gene un plasmide, cioè sezioni di DNA extranucleare presenti nei microrganismi e capaci di inglobare, con le tecniche del DNA ricombinante, il gene in oggetto, e di trasferirlo nel patrimonio genetico del microrganismo ospite; quest'ultimo, sottoposto all'intensa attività riproduttiva tipica di un processo fermentativo, esprimerà a livelli ben più elevati la proteina enzimatica codificata dal gene introdotto.
L'isolamento del gene che codifica l'enzima e il suo trasferimento sono operazioni di ingegneria molecolare assai complesse, rese oggi possibili dal rapido aumento di conoscenze avvenuto negli anni Ottanta e Novanta per quanto riguarda la natura dei geni e degli enzimi. Tali enzimi sono utilizzati per isolare il frammento di DNA che codifica la proteina che si vuole produrre (enzimi di restrizione), e per inserire il frammento nel nuovo organismo ospite che deve produrre la proteina. L'inserimento nel plasmide del frammento di DNA estraneo da introdurre nel microrganismo ospite è effettuato dalle ligasi.
Invece, la modificazione della configurazione dell'enzima, non ancora applicata diffusamente alla biocatalisi come strumento per aumentarne l'efficienza, richiede tecniche quali la mutagenesi sitospecifica, che consiste nel cambiare particolari residui amminoacidici coinvolti nella struttura del sito attivo dell'enzima così da alterare, per esempio, la forma o le dimensioni di quest'ultimo, allo scopo di permettergli di trasformare substrati diversi da quelli tipici dell'enzima nativo.
Nei processi di bioconversione gli enzimi possono essere utilizzati sia liberi in soluzione acquosa, sia immobilizzati in matrici di varia natura, sia usando come catalizzatore enzimatico l'intera cellula. L'impiego degli enzimi in soluzione è molto diffuso.
Derivati del Mais e Impiego di Enzimi Idrolitici
Un importante capitolo dell'impiego industriale delle biotecnologie riguarda l'ottenimento di derivati del mais. Questi procedimenti, che portano all'ottenimento di sorbitolo e maltitolo a elevato grado di purezza, si avvalgono largamente dell'impiego di enzimi idrolitici, che portano gradualmente alla degradazione dell'amido fino a prodotti di bassa massa molecolare, quali il glucosio e il maltosio, e alla loro successiva conversione per idrogenazione catalitica, rispettivamente a sorbitolo e a maltitolo.
Tali sostanze vengono principalmente impiegate come dolcificanti, dove hanno sostituito prodotti di sintesi come la saccarina e i ciclammati, non sicuri dal punto di vista tossicologico e sintetizzati mediante processi a elevato impatto ambientale. La loro importanza come dolcificanti è dovuta alla forte richiesta da parte di consumatori affetti da patologie oggi assai diffuse nei paesi a elevato sviluppo industriale, quali il diabete e l'obesità; inoltre, essi hanno trovato impiego come additivi che sostituiscono altri, e meno innocui, prodotti chimici di sintesi in vastissimi settori produttivi, dall'industria alimentare alla farmaceutica, da quella dei cosmetici a quella dei prodotti per l'igiene personale.
Il sorbitolo, inoltre, è ormai impiegato, dopo reazione di eterificazione con epossidi (ossido di etilene e soprattutto di propilene), come materia prima per la produzione di poliuretani (gommapiuma, rivestimenti, ecc.) dotati di elevate proprietà quali ottima stabilità dimensionale, elevata resistenza all'invecchiamento e alta densità di reticolazione.
L'amido è un polisaccaride ad alto grado di polimerizzazione costituito da molecole di glucosio (D-glucosio o destrosio), legate insieme mediante legami α-glucosidici. La formula generale dell'amido (C6H1005)m dove n è circa 1000, ne rispecchia solo grossolanamente l'intima struttura poiché nell'amido sono presenti un polimero lineare (amilosio), in cui tutti i legami sono in posizione 1,4 e un polimero ramificato (amilopectina), in cui 20÷ 30 unità di glucosio formano catene con legami 1,4 mentre la ramificazione avviene attraverso legami 1,6.
Il latte d'amido viene sottoposto ad alcuni processi, per l'ottenimento dei polioli, cioè alcoli alifatici polifunzionali. L'idrolisi, realizzata mediante α-amilasi batterica da Bacillus licheniformis o B. subtilis, porta alla formazione di maltodestrine. In seguito, a seconda del prodotto desiderato, si procede alla saccarificazione con glucoamilasi, per l'ottenimento di sciroppi di glucosio, oppure a incubazione con amilasi, per l'ottenimento di soluzioni di maltosio. Gli sciroppi di glucosio e maltosio sono poi trasformati, per trattamento con idrogeno a temperatura e pressione elevate, rispettivamente in sorbitolo e maltitolo.
Utilizzazione del Lattosio nei Sieri di Caseificio
Un altro tipo di industria, quella lattiero-casearia, presenta invece un problema estremamente significativo dal punto di vista economico e ambientale: l'utilizzazione del lattosio contenuto nei sieri di caseificio. lliattosio (β-D-galattopiranosil-D-glucopiranosio), costituito da una molecola di glucosio e una di galattosio, è uno zucchero di scarso valore, costituisce oltre il 75% del peso secco del siero e si accumula nel mondo nella quantità di circa 1,2 milioni di tonnellate l'anno.
Numerose trasformazioni enzimatiche sono allo studio per la trasformazione del lattosio in prodotti fmali di un certo interesse quali illattitolo, illattulosio o l'acido lattobionico; la trasformazione di gran lunga più importante dellattosio, tuttavia, consiste nella sua scissione, operata dall'enzima galattosidasi, nei due monosaccaridi costituenti (glucosio e galattosio), entrambi impiegabili anche per l'alimentazione umana (con qualche limitazione per il galattosio).
La reazione è condotta in continuo, facendo fluire il siero in un reattore ripieno di lattasi (f3-galattosidasi) fungina immobilizzata, a una velocità di flusso tale da realizzare, nel siero uscente, un'idrolisi del lattosio pari all'85÷90%. Questa tecnologia semplice ed economica applicata, anziché all'enzima immobilizzato, a cellule di lievito o fungine contenenti lattasi, ha permesso l'ottenimento di biocatalizzatori dotati di un'attività pari al 70÷80% di quella dell'enzima libero operante in soluzione acquosa e confrontabile con quella di preparati contenenti l'enzima immobilizzato.
Un'applicazione delle biotecnologie abbastanza recente e dotata di notevole rilevanza riguarda la decarbonizzazione.
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