Perche’ studiare biotecnologia?

‐ Che cosa sono le biotecnologie?‐ I colori delle biotecnologie‐ Gli strumenti del biotecnologo

Le biotecnologie industriali

Il Corso di laurea in Biotecnologia e il curriculum biologico‐industriale

Cosa sono le biotecnologie?

Uso di organismi, cellule o loro parti ( ad esempio: enzimi) per sviluppare ed ottenere prodotti utili

L’uomo e’ sempre stato un biotecnologo:

‐ Agricoltura‐ Allevamento‐ Conservazione dei cibi‐ Cura di malattie

…. ma ora puo’ fare meglio, di piu’ e nel rispetto dell’ambiente

http://www.youtube.com/watch?v=SkXvZIFyu1k

Le biotecnologie promuovono un circolo virtuoso tra ricerca in campo biologico, sviluppo tecnologico e le loro nuove applicazioni

Le biotecnologie sono una scienza nuova, interdisciplinare  e necessaria per le innovazioni che permetteranno un nuovo modello di sviluppo sostenibile

I colori delle biotecnologie

Le biotecnologie verdi: le biotecnologie applicate all’agricoltura

Le biotecnologie bianche: le biotecnologie industriali e ambientali

Le biotecnologie rosse: le biotecnologie applicate alla medicina

Le biotecnologie blu (meno sviluppate): Le biotecnologie applicate all’ambiente acquatico 

Le biotecnologie verdi, bianche, rosse e blu sono  strettamente legate tra loro e a Bioinformatica, Bioingegneria, Nanotecnologia, Medicina 

I colori delle biotecnologie

Le biotecnologie verdi, bianche, rosse e blu sono  strettamente legate tra loro e a:

‐ Bioinformatica: uso di strumenti informatici  per organizzare e analizzare i dati biologici per favorire il progresso della ricerca

‐ Bioingegneria: uso degli strumenti dell’ingegneria per favorire la ricerca biologica e le sue applicazioni e delle scoperte in campo biologico per nuovi approcci ingegneristici

‐ Nanotecnologia:  sviluppo di nanostrumenti e nanomateriali per la ricerca biologica di base e applicata, la medicina  e uso di materiale biologico (cellule, (macro)molecolare) come nanostrumenti e nanomateriali

‐ Medicina: sviluppo di metodi diagnostici sensibili e specifici e per una medicina personalizzata; identificazione delle basi molecolari delle malattie; sviluppo di farmaci; uso di macromolecole biologiche (proteine, enzimi, acidi nucleici) come nuovi  farmaci.

Prospettive in biotecnologia ?

Le biotecnologie sono strategiche per uno sviluppo sostenibile e alla base della bioeconomia

Per saperne di piu’: - US National bioeconomy blueprint (www.whitehouse.gov/.../national_bioeconomy_blueprint_april_2012.pdf)- EU Horizon 2020 (http://ec.europa.eu/programmes/horizon2020/en/what‐horizon‐2020)- Expo 2015 ( http://www.expo2015.org/it/cos‐e/il‐tema)

L’ Italia e’ il 3° paese in Europa in campo Biotech

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Il settore biotech e’ in crescita, anche nel presente periodo di crisi, in controtendenza rispetto ad altri settori

La Lombardia è la regione con la maggiore presenza di imprese biotecnologiche

Fonte: Ernst & Young – Assobiotec, BioInItaly Report 2012

Le biotecnologie industriali

‐ Sono fondate sul progresso delle conoscenze, a livello molecolare, della biologia degli organismi viventi e delle tecnologie (chimica, fisica, ingegneria, informatica)

‐ Mirano a mettere a punto nuovi  prodotti e nuovi processi produttivi che siano:‐ A basso impatto ambientale,  ‐ Accessibili al maggior numero di persone, ‐ Sostitutivi degli attuali processi (modelli di sviluppo) che hanno portato/stanno portando a 

‐ perdita della bio‐diversita’, ‐ inquinamento, ‐ cambiamenti climatici, ‐ desertificazione, ‐ esaurimento delle risorse energetiche fossili, ‐ insufficienza di cibo o di cibo di qualita’ insufficiente

‐ In grado di rimediare ai danni ambientali causati soprattutto dall’uomo

per una «chimica verde» sostituendo alla «sintesi chimica» di composti la loro «sintesi biologica»

Synthetic Chemistry

La «Synthetic biology» mira a sostituire gli attuali processi chimici di sintesi di  composti utili con   processi a basso impatto ambientale basati sull’uso (micro)organismi, piante ed enzimi, per una «Chimica verde».

La conversione delle industrie ad un «chimica verde» richiede:

‐ un lavoro di squadra tra microbiologi, biologi molecolari, biochimici, chimici e bioinformatici, ma anche ingegneri per la trasformazione dell’idea in un processo industriale.

‐ il contributo di esperti con una cultura scientifica nel campo delle biotecnologie per studi di fattibilita’, valorizzazione del processo o prodotto, comunicazione con i potenziali finanziatori  e accompagnamento dei prodotti fino alla loro commercializzazione nel rispetto della normativa (sicurezza, rispetto dei brevetti esistenti),  che e’ in rapida evoluzione per la dinamicita’ dei progressi nel campo delle biotecnologie.

Si aprono, quindi,  anche nuove professioni per il biotecnologo che non ama lavorare in un laboratorio:‐ Comunicazione con il pubblico, con potenziali ed effettivi finanziatori per tradurre in linguaggio comprensibile ai non scienziati le idee e le proposte del biotecnologo. ‐ Partecipazione a gruppi di lavoro per lo sviluppo della normativa, che deve stare al passo con la rapida evoluzione delle conoscenze in campo biologico e tecnologico‐ Studi di valutazioni di processo o impatto ambientale‐ Stesura di progetti‐ Protezione della proprieta’ intellettuale 

Alcuni altri prodotti della chimica verde di uso comune

Bioplastiche

Biocarburanti Aromi Farmaci

Di quali prodotti e quali processi si interessano le biotecnologie industriali? 

Quelli di interesse dell’industria chimica, delle energie, farmaceutica, diagnostica, medicale, alimentare, tessile, della carta, cosmetica, della cura della persona, dei detersivi, ….

Alcuni esempi, in forma semplificata e, quindi, con qualche imprecisione…

HN

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L’indaco, come tante altre molecole di nostro interesse e’ una sostanza naturale.Puo’ essere estratto dall’Indigofera pratensis, ma la quantita’ di indaco richiestaper i nostri blue jeans e’ molto piu’ alta di quella ottenibile dalla fonte naturale(di cui so causerebbe rapidamente l’estinzione)

Produzione dell’ indaco: il blue dei blue jeansProduzione di composti utili con processi a basso impatto ambientale:

Ottenimento di piante dicotone modificatoproduttore di indacoprodurranno cotone blu

Da molti anni si usa una sintesi chimica dell’indaco.

17,000 tons/year, mostly (40%) produced by BASF

Uso di microrganismiopportunamente modificati(ingegneria proteica + ingegneriametabolica) che producono indaco.

Il terreno di crescita dei microorganismi puo’ essere derivato da scartiagricoli o alimentari con il doppio risultato di ottenere un compostoutile a basso costo e recuperando tali scarti.

E’ allo studio anche la produzione dicotone ingualcibile!

Le soluzioni biotecnologiche:

Seta del ragno per fibre ultrasottili e resistenti per nuovi materiali anche in campo medico (suture, ricostruzione di tendini)

Plastiche biodegradabili da biotrasformazione di frumento o da pioppo

Produzione di materiali (plastiche, fibre di origine bio)

La fissazione della CO2 da parte delle piante compensa almeno in parte quella emessa dallacombustione del carburante.

La produzione di idrogeno da parte di enzimi isolati o batteri puo’ rendere disponibile anche questocarburante abbattendo l’emissione di CO2 in atmosfera

Produzione di (bio)carburanti (bioetanolo, biodiesel) per fermentazionemicrobica da ligninocellulosa derivata da piante non edibili e pretrattata con enzimi

Miglioramento dei metodi di conservazione dei cibi

(ad es.: Controllo della maturazione di frutta)

Miglioramento della qualita’ e del gusto degli alimenti

Sviluppo di metodi per la tracciabilita’, il controllo delle sofisticazioni, il rilevamento precoce della degenerazione

Alimenti arricchiti di vitamine o altre sostanze utili o privi di alcune sostanze (ad es.: lattosio, colesterolo, allergeni)

Industria alimentare

Enzimi (ad es.: Lipasi e proteasi), proteine, vitamine e cofattoricome additivi a detersivi, detergenti, cosmetici

pulizia di lenti a contatto detergenti cosmeticidetersivi

Industria dei detergenti e della cura della persona.

L’uso di enzimi nei detersivi permette di usare minori quantita’ di saponi(inquinanti), lavare a bassa temperatura (risparmio energetico) danneggiando di meno i tessuti (ulteriore risparmio).

La scelta degli enzimi da utilizzare per questo ed altri scopi ha richiesto (e richiede) lo studio delle loro proprieta’ con i metodi della biochimica che rendepossibile anche la loro ingegnerizzazione per migliorarne le proprieta’ in base all’uso che se ne vuole fare.

Terapia genica , cellulare , con acidi nucleici e proteine(spesso enzimi) di malattie (anche ereditarie)

Sviluppo di nuovi vaccini e nuovi modi di produzione e somministrazione.

Progettazione e sviluppo di farmaci (ad es.: nuovi antiboticiper combattere batteri patogeni resistenti ai farmaci noti)

Industria farmaceutica

Sviluppo e produzione di nuovi farmaci o nuovi metodi di produzione di farmaci noti; identificazione di nuovi potenziali bersagli di farmaci, sviluppo di nuove terapie, nuovi metodi diagnostici, nuovi metodi di somministrazione di farmaci.

La vaccinazione tradizionale consiste nello stimolare la produzione di anticorpi contro il patogeno inoculandolo in forma attenuata o dopo averlo ucciso. E’ possibile usare come vaccino alcune proteine specifiche del patogeno, o loro parti, che non possono quindi causare nessuna infezione. Il problema della conservazione e del trasporto puo’ essere risolto grazie a nuove soluzioni biotecnologiche.

Diagnostica.

Indagini Scientifiche, non solo in TV!

Sviluppo di metodi rapidi e sensibili basati su sonde molecolari per indagini in campo medico, alimentare, ambientale, ...

I nuovi metodi diagnostici permettono anche terapie personalizzate in base alle caratteristiche genetiche dell’individuo

Microrganismi biodegradatoripossono promuovere processi di biorisanamento anche in condizioni “estreme”. (Per esempio: i «batteri mangiapetrolio»)

Fitorisanamento come approccio alternativo

Specifici microrganismi possono essere utilizzati come “biosensori”, cioè come strumenti di rilevamento della presenza di sostanze tossiche e/o inquinanti, anche a bassa concentrazione.

Si sfruttano fenomeni di bioluminescenza tipici di alcune proteine naturali:

Monitoraggio e risanamento ambientale

La luce della lucciola e’prodotta dalla reazionecatalizzata dall’enzimaluciferasi

Gli studi su proteine fluorescenti , chehanno permesso di inventare nuovisistemi di rilevamento sono stati premiaticon il premio Nobel per la chimica nel2008

Nanotecnologie e nanomateriali («intelligenti»)

Le cellule e le macromolecole biologiche (proteine, acidi nucleici, polisaccaridi) sono i migliori esempi di oggetti e materiali nanostrutturati (1 nanometro = 1 miliardesimo di metro) . Le loro proprieta’ vengono, quindi,sfruttateper costruire nuovi strumenti e materiali molto piccoli (sensori, conduttori, strumenti diagnostici molto sensibili e piccoli) o imitate per la costruzione di nano-strumenti e materiali non naturali.

La Bioinformatica, una nuova branca dell’informatica al servizio della biologia, sviluppa ed utilizza programmi per acquisire e organizzare la sempre crescente mole di dati sperimentali disponibili sui sistemi biologici ed estrarne informazioni utili per comprendere i sistemi complessi

Le analisi bioinformatiche aiutano lo sperimentatore a formulare ipotesi e disegnare gli esperimenti necessari per verificarle. I nuovi risultati sperimentali contribuiranno ad arricchire le informazioni su cui si basano le analisi e predizioni dei bioinformatici.

Abbiamo ancora molto da scoprire su come sono fatti e come funzionano , a livello molecolare, gli organismi viventi, ad esempio:‐ Basi molecolari delle malattie‐ Potenzialita’ biosintetiche degli organismi viventi‐ Potenzialita’ sintetiche di enzimi ingegnerizzati (“su misura”)

Non a caso le prime industrie biotecnologiche sono nate (e ancora mascono) vicino ad importantiuniversità e centri di ricerca con un intenso scambio di idee e persone.

Le biotecnologie e la ricerca di base

Gli strumenti e le conoscenze  per fare biotecnologie: un inizioIl Corso di Laurea in Biotecnologia di UniMI

Le basi comuni:Biologia generale e cellulare, Biologia molecolare, Biochimica, Chimica generale e inorganica, Chimica organica, Fisica, Matematica, Microbiologia, Elementi di economia e bioetica

Non solo lezioni!

- Esercitazioni in laboratori e aule di calcolo- Tirocinio pratico in laboratorio

Uno periodo di studio in un altro paese Europeo?

(http://www.erasmusplus.it/)

Gli strumenti e le conoscenze  per le biotecnologie industriali: un inizioIl curriculum biologico‐industriale

Gli insegnamenti di curriculum (semestre 4‐6)

Bioinformatica e biostatisticaBiologia cellulare e funzionale delle pianteBiologia computazionaleBiotecnologie cellulari animaliBiotecnologie delle fermentazioniBiotecnologie microbicheBiotecnologie vegetali industrialiMetodi biochimici e biologico molecolari applicati alle biotecnologie Metodi chimici per le biotecnologieOrientamento al mondo del lavoroProcessi biotecnologici per la produzione di sostanze naturaliCorsi a libera scelta per approfondire alcuni aspetti

Gli strumenti e le conoscenze  per le biotecnologie industriali: per continuare?

Un master di primo livello  in Italia o all’estero

Uno stage in azienda in Italia o all’estero

Una laurea magistrale tra cui laLaurea Magistrale in 

Biotecnologie molecolari e bioinformatica@UniMI

(www.ccdbiotec.unimi.it)