CHIMICA E BIOTECNOLOGIE

La chimica è una materia molto affascinante, anche perché se ci pensiamo bene tutto è chimica. Tutto si trasforma, molecole che si aggregano e si disgregano, è una danza di atomi e molecole!

In tantissimi settori della nostra vita, la chimica entra prepotentemente e in alcuni di questi il suo intervento è stato molto prolifico e produttivo. Sicuramente uno di questi sono le biotecnologie. La chimica e le biotecnologie hanno un forte carattere interdisciplinare: pensate allo sviluppo delle biotecnologie in campo medico come gli antibiotici, i vaccini o gli anticorpi monoclonali; oppure alla gestione e miglioramento delle risorse idriche e del territorio; o l’uso di biomasse per la produzione di combustibili e fonti di energia rinnovabili. Senza dimenticare le fermentazioni per lo sviluppo e le tecnologie in campo alimentare.

LE BIOTECNOLOGIE

Le biotecnologie sono l’insieme delle tecnologie che contemplano l’utilizzo di organismi o di loro componenti cellulari come gli enzimi nei processi industriali per la produzione di servizi come la depurazione e di beni come alimenti e nella gestione dell’ambiente.

Le biotecnologie hanno però sia effetti positivi che negativi. Ovviamente se pensiamo al crescente fabbisogno alimentare, o sfruttare fonti rinnovabili non inquinanti e soprattutto l’urgenza di uno sviluppo sostenibile per l’ambiente, le biotecnologie giocano un ruolo molto positivo per la società. Ma l’uso non controllato potrebbe avere dei rischi per la salute umana e per l’ambiente. L’insorgenza di nuovi allergeni o la riduzione della biodiversità sono temi molto sensibili in questo settore. Inoltre applicazioni al centro di ampio dibattito sono quelle atte alla produzione di animali e piante transgeniche (come il mais BT) noti a tutti come OGM.

BIOLOGIA E CHIMICA: UN MATRIMONIO FELICE

La disciplina da cui la biotecnologia ha attinto maggiormente è la biologia. I processi coinvolti possono essere tradizionali oppure nuovi e complessi.

Dalla produzione di birra, vino e formaggi alle tecniche del DNA ricombinante.

Perché la biologia? Beh, la biologia studia gli esseri viventi, i fenomeni della vita e le leggi che li governano. E nelle biotecnologie abbiamo detto che l’uso dei microrganismi è fondamentale. Ma cosa intendiamo con la parola microrganismo?

I microrganismi sono organismi unicellulari che svolgono le loro funzioni in un’unica cellula.

Con il termine microrganismi si intendono quegli esseri viventi che per le loro piccole dimensioni non sono visibili a occhio nudo e per osservare i quali è necessario l’utilizzo del microscopio. I microrganismi sono appartenenti a tre grandi gruppi biologici: batteri, protisti e funghi (muffe e lieviti). Anche i virus sono considerati microrganismi pur non essendo, in senso stretto, esseri viventi.

Molti di questi microrganismi sono indispensabili per la vita, ma molti altri invece sono patogeni, cioè causano malattie all’uomo, agli animali domestici o alle piante.

Il mondo dei microrganismi come virus, batteri, microbi, germi è vasto e antichissimo.

Ma come tutti i migliori matrimoni, esistono delle differenze. Uno degli elementi per cui la biologia e la biotecnologia si distinguono l’una dall’altra è la differente scala in cui operano.

SVILUPPO STORICO DELLE BIOTECNOLOGIE

Secondo le Federazione Europea di biotecnologia, la biotecnologia consiste nell’utilizzo di cellule o di enzimi di origine microbica, animale o vegetale, per ottenere la sintesi, la degradazione o la trasformazione di materie prime.

Lo sviluppo delle biotecnologie ha una storia antichissima. Già al tempo dei sumeri e babilonesi, nel 6000 a.C. si consumava la birra e nel 4000 a.C. gli Egizi mangiavano pane lievitato.

Nel XVII secolo, Anton van Leeuwenhoek costruì il primo microscopio ottico. Ma solo dopo il 1856 con Louis Pasteur, si cominciò a comprendere le proprietà di alcuni microrganismi di causare processi di fermentazione.

Nel XIX secolo l’etanolo, l’acido acetico o l’acetone venivano prodotti mediante processi di fermentazione microbica. Certo era una tecnologia ancora “rozza”, ma efficace.

Negli anni ’40 i processi tecnologici iniziarono ad essere condotti in condizioni sterili e vennero introdotte tecnologie complesse per la coltura massiva di organismi microbici, come la sintesi di antibiotici, aminoacidi, acidi organici, enzimi, steroidi, polisaccaridi e infine vaccini.

Recentemente la genetica e la tecnologia del DNA ricombinante è il fulcro centrale della biotecnologia attuale.

COMPONENTI FONDAMENTALI DELLA BIOTECNOLOGIA

Il terzo componente sono le procedure di separazione e di purificazione da un processo di fermentazione il prodotto desiderato.

I componenti fondamentali della biotecnologia sono innanzitutto la ricerca dei microrganismi, dalla selezione del pool presente in natura alla loro modificazione. Questa prima componente comprende tutte le procedure con cui si ottiene il catalizzatore biologico migliore. I catalizzatori possono essere sia organismi interi sia gli enzimi separati e purificati.

Il secondo componente è il bioreattore, ovvero l’ambiente ottimale dove ricreare le condizioni favorevoli perché il catalizzatore possa svolgere la sua funzione.

Nei bioreattori possiamo controllare i parametri più importanti come la temperatura, il pH o l’aerazione.

Le principali aree di applicazione della biotecnologia sono: le tecnologie riguardanti i bioprocessi, quelle enzimatiche, la tecnologia delle risorse rinnovabili, lo smaltimento dei rifiuti, l’agricoltura e la zootecnia, la tecnologia ambientale e infine la sanità.

Lo sapevate che prima della seconda meta del 1900, l’insulina veniva ricavata dal pancreas dei bovini e dei maiali. Quando si dice che del maiale non si butta mai nulla!

Successivamente siamo riusciti ad isolare il gene umano dell’insulina e a clonarlo in un microrganismo. Questo permise la produzione dell’ormone su larga scala mediante processi di fermentazione.

Chissà come mai nessuno si lamenta della produzione dell’insulina e invece oggi c’è una ristretta cerchia di persone che screditano i vaccini. Probabilmente non hanno una conoscenza di base delle biotecnologie!

I SUBSTRATI PER LA BIOTECNOLOGIA

Le materie prime utilizzate nei processi biotecnologici sono in genere o prodotti di origine vegetale (cereali, frutta, latte e derivati, ecc.) o scarti di lavorazione e sottoprodotti dell’industria agroalimentare (melasso, acque di macerazione del mais, acque di vegetazione, ecc.).

Se il processo è condotto con cellule viventi la materia prima deve contenere principalmente carbonio insieme ad azoto, fosforo, vitamine e micronutrienti. La fonte di carbonio primaria sono i carboidrati, semplici e complessi. Altre fonti sono costituite da alcoli, polialcoli e derivati del petrolio. L’azoto può essere fornito sia in forma inorganica che organica. Il materiale di partenza deve essere preparato per essere utilizzato come substrato dai microrganismi.

Dalle biomasse vegetali, si possono produrre combustibili come il biogas, l’etanolo o oli; fertilizzanti come il compost o fanghi.

I prodotti naturali che costituiscono le materie prime per la biotecnologia derivano soprattutto dall’agricoltura o dall’industria alimentare. Questi sottoprodotti vengono quindi utilizzati come substrati per la biotecnologia. Ad esempio, dalle lavorazioni agricole o zootecniche, i sottoprodotti come la paglia, la bagassa della canna da zucchero e la polpa di alcuni vegetali o frutti. Oppure dalle lavorazioni industriali alimentari, come il siero del latte, la melassa ricavata come scarto dalla barbabietola.

Ecco perché uno dei principali obiettivi della biotecnologia è migliorare la gestione e l’utilizzo degli ingenti volumi di scarti organici. Quindi la biotecnologia potrebbe essere un valido strumento per diminuire le fonti di inquinamento convertendo questi scarti in prodotti utili.

La tecnologia delle fermentazioni o dei bioprocessi hanno come protagonisti come detto precedentemente i microrganismi.

Se oggi possiamo gustare nelle nostre tavole alimenti come yogurt, salse, bevande alcoliche e altri alimenti come i crauti, dobbiamo ringraziare le biotecnologie. Se oggi abbiamo a disposizione tantissimi farmaci come antibiotici e vaccini, dobbiamo capire che dietro tutto ci sono le biotecnologie.

Certo la domanda che potreste fare è perché allora non possiamo utilizzare solo i processi chimici per realizzare questi prodotti?

Ci sono numerosi vantaggi nell’utilizzo delle biotecnologie: prima di tutto le molecole complesse come anticorpi o proteine sono difficilmente prodotte con processi chimici. Inoltre le bioconversioni hanno rese molto superiori. Una cosa da non tralasciare è che i sistemi biologici operano a temperature più basse rispetto ai processi chimici. Poi le reazioni catalitiche sono molto più specifiche e ci permettono di produrre un solo composto isomerico.

Ovviamente esistono anche degli svantaggi, ma sicuramente i benefici superano questi ostacoli.

MODALITA’ PRINCIPALI CON CUI SI COLTIVANO MICRORGANISMI ALL’INTERNO DI UN BIOREATTORE

Le modalità principali con cui si coltivano i microrganismi in un bioreattore sono molteplici:

LE COLTURE IN SISTEMA CHIUSO (BATCH): sono le più utilizzate. La maggior parte dei vaccini, antibiotici o solventi sono realizzati con questo sistema. Praticamente di inoculano microrganismi in un volume fisso di terreno liquido mentre si sviluppa la crescita microbica le sostanze nutritive si consumano e i prodotti della crescita (biomassa e metaboliti) si accumulano. L’ ambiente nutritivo all’interno del bioreattore è soggetto a continue variazioni.

La cinetica di crescita è caratterizzata da quattro fasi:
📌 fase di latenza, durante la quale le cellule si adattano al terreno, perciò non si ha un incremento della biomassa (massa complessiva delle cellule);
📌 fase di crescita esponenziale, nella quale le cellule si dividono molto rapidamente, secondo appunto un andamento esponenziale del tipo y= 2^x, dove y è il numero di cellule e x il numero di generazioni;
📌 fase stazionaria, durante la quale la crescita rallenta man mano che i nutrienti scarseggiano, fino ad arrestarsi;
📌 fase di letalità, nella quale la scarsità di nutrienti è tale da causare la diminuzione della biomassa, poichè muoiono più cellule di quelle che si generano, determinando la fine della coltura.

2. LE COLTURE SEMICONTINUE: è un reattore batch alimentato con una soluzione di un nutriente in modo che un solo componente del mezzo (in genere la fonte di carbonio) sia limitante. E’ un sistema colturale utilizzato industrialmente per ottenere elevate densità cellulari. Questa modalità di funzionamento permette di by-passare le limitazioni ingegneristiche riguardanti il trasferimento di ossigeno ed evitare fenomeni metabolici indesiderati.

3. LE COLTURE APERTE: in questo modo si ottiene una crescita pressoché bilanciata. Questa procedura consente nell’addizione a una coltura in batch durante la fase di crescita esponenziale una certa quantità di terreno fresco e nel prelevare un identico volume di terreno con cellule e sostanze di rifiuto. Un vantaggio di questa tecnica è che la velocità di crescita è costante in condizioni ambientali che restano invariate.

UN ESEMPIO DI BIOTECNOLOGIE: LE TECNOLOGIE DEGLI ALIMENTI

La biotecnologia degli alimenti abbraccia una gamma molto ampia di strumenti per migliorare la qualità, il valore nutrizionale, la sicurezza e la conservazione dei prodotti.

Numerosi cibi e bevande che noi tutti consumiamo oggi sono il risultato di processi biotecnologici.

L’ azione microbica o enzimatica provocano modificazioni biochimiche desiderabili, rendendo il prodotto finale più nutriente, facilmente digeribile e non tossico. Ne sono esempi il pane, i formaggi, gli yogurt, i crauti, la salsa di soia, il tempeh. Oppure bevande come la birra, il vino, il sakè o il brandy, il whisky e l’aceto. E come non dimenticare il tè, il caffè e la cioccolata. Tutti alimenti derivanti da processi biotecnologici.

Ma vediamo nel dettaglio una bevanda alcolica: il vino.

Le materie prime sono materiali ricchi di zuccheri semplici (succhi di vari frutti, liquidi vegetali o miele), o di amidi (chicchi e radici) che devono però essere idrolizzati a zuccheri semplici prima della fermentazione. I substrati vengono poi incubati e lasciati fermentare. Il risultato finale è un prodotto alcolico con un pH acido. Questo prodotto può subire ulteriori processi, come la distillazione per i superalcolici, vedi la grappa, il gin o rum.

Ma con molta probabilità la bevanda più consumata è il vino. La sua produzione è nata con l’abbandono del nomadismo ed è quindi coetaneo di birra e pane. Anche in questo caso l’evento principe è la fermentazione, giocata da lieviti che normalmente vivono sulla buccia degli acini. Lieviti che trovano la fonte nutritiva negli zuccheri della polpa. La gradazione alcolica dovuta alla presenza dell’alcol etilico come prodotto della fermentazione dipende, ovviamente, dalla concentrazione di zuccheri. Questo complesso processo biochimico che prende il nome di fermentazione alcolica, come abbiamo già detto, è prevalentemente anaerobio, ma necessita tuttavia di una quantità limitata di ossigeno, sufficiente a garantire la crescita dei lieviti presenti nel mosto.

Le biotecnologie e le innovazioni non lavorano però solo per la grande industria. Anche le cantine più piccole le utilizzano ma con uno spirito diverso che ha portato a produzioni biologiche e di vini senza solfiti.

L’attività vinicola industriale in Italia si fa risalire alla fine del XVIII secolo quando nel 1773 l’inglese Giovanni Woodhouse cominciò ad aggiungere in modo sistematico dell’alcol puro al vino bianco di Marsala (poco più di due litri di alcol per ettolitro di vino). Nel 1796, egli fondò a Marsala il primo stabilimento enologico e sottopose a “concia”, con metodologie analoghe a quelle in uso a Jerez, Madera e Oporto, i vini alcolici locali e quelli dei vicini territori del trapanese e della provincia di Palermo. Da allora il settore enologico ha visto uno sviluppo continuo e rappresenta oggi il 30% di tutte le esportazioni nazionali.

Questo è un esempio concreto di come la chimica abbia una visione multidisciplinare. Quando collaborare risulta una strategia vincente, ricordiamoci della chimica e delle biotecnologie.

Dott. Francesco Domenico Nucera