Sommario
La biotecnologia è un campo ampio e interdisciplinare che prevede l’uso di organismi viventi, sistemi biologici e dei loro componenti per sviluppare o migliorare prodotti, processi e tecnologie.
Comprende una gamma di discipline scientifiche, tra cui biologia molecolare, genetica, biochimica e microbiologia, tra le altre. La biotecnologia è utilizzata in una varietà di campi, tra cui assistenza sanitaria, agricoltura, produzione alimentare, gestione ambientale e produzione.
Le origini della biotecnologia industriale possono essere ricondotte ai processi di fermentazione utilizzati per produrre bevande alcoliche, pane e formaggio.
La prima pietra miliare importante nella biotecnologia industriale si è verificata all’inizio del XX secolo con lo sviluppo del primo processo industriale basato su microbi per la produzione di acido citrico.
Il processo è stato sviluppato da James Currie e Pierre Joseph Weisner ed è diventato la base per i processi di fermentazione industriale.
A metà del XX secolo, lo sviluppo degli antibiotici ha rivoluzionato la medicina e trasformato il campo della biotecnologia industriale. La scoperta della penicillina da parte di Alexander Fleming nel 1928 fu seguita da una serie di sviluppi che portarono alla produzione di massa di antibiotici, usati per curare le malattie infettive.
Nella seconda metà del XX secolo, l’uso della tecnologia del DNA ricombinante divenne un momento decisivo nella biotecnologia industriale. La capacità di manipolare sequenze di DNA e produrre organismi geneticamente modificati aprì nuove possibilità per i processi industriali.
Nel 1982, la prima proteina ricombinante, l’insulina, fu prodotta da Genentech, segnando una nuova era nella biotecnologia industriale.
Da allora, si sono verificati sviluppi significativi nella biotecnologia industriale, tra cui la produzione di biocarburanti, bioplastiche ed enzimi utilizzando processi di fermentazione microbica.
Oggi, la biotecnologia industriale è diventata un attore chiave nella creazione di processi di produzione sostenibili ed efficienti.
1. Biotecnologia nell’industria manifatturiera
1.1. Biocarburanti e fonti energetiche alternative
I biocarburanti sono carburanti ricavati da materiali biologici, come materia vegetale o prodotti di scarto. Esistono due tipi principali di biocarburanti: l’etanolo, che si ottiene dalla fermentazione degli zuccheri, e il biodiesel, che si ottiene dalla conversione di oli vegetali o grassi animali. La biotecnologia è coinvolta sia nella produzione che nell’ottimizzazione dei biocarburanti.
Uno dei settori chiave in cui la biotecnologia viene applicata è lo sviluppo di nuove materie prime per i biocarburanti. Microrganismi come alghe, batteri e funghi vengono progettati per produrre oli e altri composti che possono essere convertiti in biocarburanti.
Questi microrganismi possono essere coltivati su una varietà di substrati, compresi i prodotti di scarto, rendendoli una fonte di biocarburanti potenzialmente sostenibile ed economica.
Un altro settore in cui la biotecnologia viene applicata è l’ottimizzazione dei processi di produzione dei biocarburanti. I bioreattori, ovvero dispositivi che supportano la crescita di microrganismi, vengono sviluppati per produrre biocarburanti in modo più efficiente.
Anche l’uso dell’ingegneria genetica e della biologia sintetica sta contribuendo a migliorare la resa e la qualità dei biocarburanti.
La biotecnologia viene applicata anche nello sviluppo di altre fonti energetiche alternative. Ad esempio, il biogas, prodotto tramite la digestione anaerobica di materia organica, può essere utilizzato come fonte di combustibile per la generazione di elettricità.
Anche le celle a combustibile microbiche, che utilizzano batteri per generare elettricità da materia organica, vengono sviluppate come fonte di energia alternativa.
1.2. Enzimi nei processi industriali
Gli enzimi sono uno degli strumenti più preziosi nella biotecnologia e svolgono un ruolo fondamentale in un’ampia gamma di processi industriali. Sono molecole biologiche altamente specifiche che catalizzano reazioni chimiche e il loro utilizzo nei processi industriali ha rivoluzionato molti settori.
Gli enzimi vengono utilizzati in vari processi industriali, come la produzione di alimenti e bevande, prodotti farmaceutici e il biorisanamento. Uno dei vantaggi significativi dell’uso degli enzimi è la loro capacità di funzionare in condizioni miti, come basse temperature e pH neutro, che può ridurre i costi e l’impatto ambientale del processo.
Nella produzione di alimenti e bevande, gli enzimi sono utilizzati per una varietà di scopi, come la produzione di formaggio, birra e pane.
Ad esempio, gli enzimi sono utilizzati nella produzione di formaggio per scomporre le proteine del latte e creare la consistenza e il sapore caratteristici del formaggio.
Nella produzione di birra, gli enzimi sono utilizzati per scomporre l’amido nei grani e convertirli in zuccheri fermentabili.
Nell’industria farmaceutica, gli enzimi sono utilizzati nella produzione di farmaci. Sono utilizzati per catalizzare reazioni nella sintesi di farmaci, come la produzione del farmaco antivirale aciclovir.
Gli enzimi sono utilizzati per catalizzare la reazione che converte la molecola precursore in aciclovir, che viene quindi purificato e utilizzato nella produzione del farmaco.
1.3. Bioplastiche e biomateriali
Le bioplastiche sono plastiche ricavate da fonti di biomassa rinnovabili, come amido di mais, grassi e oli vegetali e amido di piselli. Possono essere utilizzate in una varietà di applicazioni, come materiali di imballaggio, posate monouso e persino parti di automobili.
Le bioplastiche sono diventate sempre più popolari grazie alla loro ecocompatibilità, in quanto possono biodegradarsi in determinate condizioni, riducendo l’impatto sull’ambiente.
I biomateriali sono materiali derivati da organismi viventi, come fibre vegetali, tessuti animali e microrganismi. Hanno numerose applicazioni in vari settori, tra cui biomedico, automobilistico ed edile. I biomateriali possono essere utilizzati come impalcature per l’ingegneria tissutale, medicazioni per ferite e persino come organi sostitutivi.
La produzione di bioplastiche e biomateriali coinvolge una varietà di processi biotecnologici, come fermentazione, catalisi enzimatica e ingegneria genetica. La fermentazione viene utilizzata per produrre bioplastiche, dove i microrganismi vengono utilizzati per convertire la biomassa in polimeri.
La catalisi enzimatica viene utilizzata per produrre biomateriali, dove gli enzimi vengono utilizzati per modificare le proprietà dei materiali. L’ingegneria genetica viene utilizzata per modificare la composizione genetica degli organismi per produrre biomateriali specifici con proprietà desiderabili.
L’uso di bioplastiche e biomateriali offre numerosi vantaggi, tra cui la riduzione della dipendenza dai combustibili fossili, la riduzione di rifiuti e inquinamento e la promozione della sostenibilità. Hanno anche varie applicazioni in diversi settori, come l’imballaggio, l’agricoltura e l’assistenza sanitaria.
1.4. Biotecnologia in agricoltura e produzione alimentare
La biotecnologia in agricoltura implica l’uso di ingegneria genetica, coltura tissutale e riproduzione assistita da marcatori per produrre colture con caratteristiche desiderabili, come rese più elevate, resistenza a parassiti e malattie e valore nutrizionale migliorato.
L’ingegneria genetica implica la modifica del materiale genetico di un organismo, solitamente inserendo un gene da un altro organismo, per produrre la caratteristica desiderata.
La coltura tissutale implica la produzione di piante da un piccolo campione di tessuto, consentendo la produzione in serie di piante con caratteristiche desiderabili.
La riproduzione assistita da marcatori implica l’identificazione di caratteristiche desiderabili tramite marcatori genetici e la riproduzione di piante con tali caratteristiche.
1.4.1. Colture geneticamente modificate
Le colture geneticamente modificate vengono prodotte utilizzando una varietà di tecniche, come l’editing genetico, la tecnologia del DNA ricombinante e la tecnologia transgenica. L’editing genetico implica la manipolazione diretta del materiale genetico di un organismo per produrre la caratteristica desiderata.
La tecnologia del DNA ricombinante implica l’inserimento di un gene estraneo nel DNA di un organismo per produrre la caratteristica desiderata. La tecnologia transgenica prevede l’inserimento di un gene di un altro organismo nel DNA di una pianta per produrre la caratteristica desiderata.
I vantaggi delle colture geneticamente modificate includono maggiori rese delle colture, uso ridotto di pesticidi ed erbicidi e valore nutrizionale migliorato. Le colture geneticamente modificate sono anche più resistenti a parassiti e malattie, riducendo la necessità di sostanze chimiche nocive che possono danneggiare l’ambiente e la salute umana.
Possono anche essere progettate per tollerare lo stress ambientale, come siccità e calore, consentendo loro di crescere in condizioni più difficili.
1.4.2. Fermentazione microbica per la produzione di alimenti e bevande
La fermentazione microbica è un processo in cui microrganismi, come batteri, lieviti e funghi, scompongono carboidrati e altri composti organici per produrre energia e sottoprodotti.
Questi sottoprodotti, come acido lattico, etanolo e anidride carbonica, vengono utilizzati nella produzione di vari prodotti alimentari e bevande. La fermentazione microbica può anche essere utilizzata per produrre enzimi e altri ingredienti alimentari.
I tipi di microrganismi utilizzati nella fermentazione microbica dipendono dal prodotto specifico prodotto. Ad esempio, i batteri dell’acido lattico vengono utilizzati nella produzione di yogurt, formaggio e crauti, mentre il lievito viene utilizzato nella produzione di birra, vino e pane. I funghi vengono utilizzati nella produzione di alcuni formaggi, come il formaggio erborinato e il Camembert.
La fermentazione microbica offre numerosi vantaggi nella produzione di alimenti e bevande. Può migliorare la consistenza, il sapore e il valore nutrizionale dei prodotti, nonché prolungarne la durata di conservazione. Può anche ridurre la necessità di additivi e conservanti, rendendo i prodotti più naturali e sani.
La fermentazione microbica viene utilizzata anche per produrre prodotti alimentari e bevande nuovi e innovativi. Ad esempio, la fermentazione microbica viene utilizzata per produrre sostituti della carne, come hamburger e pollo a base vegetale. Viene utilizzata anche per produrre fonti alimentari sostenibili, come proteine a base di insetti e prodotti alimentari a base di alghe.
1.5. Biotecnologia in sanità e farmaceutica
La biotecnologia in sanità e farmaceutica implica l’uso di sistemi biologici, come cellule e microrganismi, per sviluppare nuovi trattamenti e terapie per le malattie. Le tecniche utilizzate in biotecnologia includono l’ingegneria genetica, la tecnologia del DNA ricombinante e l’ingegneria proteica
1.5.1. Biofarmaceutici e sviluppo di farmaci
Uno dei biofarmaceutici più noti è l’insulina, utilizzata per curare il diabete. L’insulina è stata isolata e purificata per la prima volta dal pancreas dei cani nel 1922 da Frederick Banting e Charles Best. Da allora, l’insulina è stata prodotta utilizzando la tecnologia del DNA ricombinante, che prevede l’inserimento del gene per l’insulina umana in batteri o cellule di lievito.
Questo processo consente la produzione su larga scala di insulina identica alla forma umana.
I biofarmaceutici presentano diversi vantaggi rispetto ai farmaci chimici tradizionali. Sono altamente specifici e possono colpire cellule o tessuti specifici, il che può portare a migliori risultati di trattamento e minori effetti collaterali. I prodotti biofarmaceutici possono essere prodotti anche in grandi quantità e presentano un rischio di contaminazione inferiore rispetto ai farmaci chimici tradizionali.
I prodotti biofarmaceutici sono stati utilizzati per sviluppare trattamenti per una serie di malattie, tra cui cancro, malattie autoimmuni e malattie infettive. Gli anticorpi monoclonali, che sono un tipo di prodotto biofarmaceutico, sono stati utilizzati per sviluppare farmaci in grado di colpire specificamente le cellule tumorali, portando a trattamenti più efficaci con meno effetti collaterali.
Lo sviluppo di prodotti biofarmaceutici comporta diverse fasi, tra cui scoperta, test preclinici, sperimentazioni cliniche e approvazione normativa. Il processo può essere lungo e costoso, ma i potenziali benefici sono significativi.
Negli ultimi anni, i progressi nella biotecnologia hanno portato allo sviluppo di nuove tecniche per la produzione di prodotti biofarmaceutici, come l’editing genetico e la tecnologia CRISPR-Cas9. Queste tecniche hanno il potenziale per migliorare la sicurezza e l’efficacia dei prodotti biofarmaceutici e per portare allo sviluppo di nuovi trattamenti per le malattie.
1.5.2. Terapia genica e ingegneria genetica
La terapia genica e l’ingegneria genetica sono due campi strettamente correlati che hanno rivoluzionato la medicina moderna e la biotecnologia. Entrambi i campi implicano la manipolazione di geni e materiale genetico per curare e prevenire malattie, nonché per sviluppare nuovi prodotti e tecnologie.
La terapia genica implica la somministrazione di materiale genetico nelle cellule di un paziente per curare o prevenire malattie. Ciò può essere fatto utilizzando una varietà di metodi, tra cui vettori virali, liposomi e DNA nudo. L’obiettivo della terapia genica è sostituire, riparare o eliminare geni difettosi che causano malattie o introdurre nuovi geni che possono fornire benefici terapeutici.
Esistono diversi tipi di terapia genica, tra cui la terapia genica somatica, che ha come bersaglio le cellule non riproduttive del corpo, e la terapia genica germinale, che ha come bersaglio le cellule riproduttive e può potenzialmente trasmettere modifiche genetiche alle generazioni future. La terapia genica germinale è controversa e attualmente non è ampiamente praticata a causa di problemi etici e di sicurezza.
2. Biotecnologia ambientale
La biotecnologia ambientale è un campo della biotecnologia che si concentra sull’applicazione di processi biologici a problemi ambientali. Implica l’uso di organismi viventi o dei loro prodotti per bonificare ambienti inquinati, produrre energia rinnovabile e creare prodotti sostenibili.
La biotecnologia ambientale ha guadagnato sempre più attenzione negli ultimi anni a causa delle crescenti preoccupazioni per il degrado ambientale e la necessità di trovare soluzioni sostenibili ai pressanti problemi ambientali. Comprende un’ampia gamma di tecniche e approcci, tra cui biorisanamento, biofiltrazione, fitodepurazione e bioestrazione.
Un’importante applicazione della biotecnologia ambientale è il biorisanamento, ovvero l’uso di microrganismi per ripulire il suolo, l’acqua e l’aria contaminati.
I microrganismi, come batteri e funghi, possono scomporre gli inquinanti e trasformarli in sostanze innocue. Il biorisanamento è stato utilizzato con successo per ripulire fuoriuscite di petrolio, rifiuti industriali e altri tipi di inquinamento.
Un’altra importante applicazione della biotecnologia ambientale è la produzione di energia rinnovabile. I microrganismi possono essere utilizzati per generare biogas da rifiuti organici, come rifiuti alimentari e letame animale, attraverso un processo chiamato digestione anaerobica. Il biogas può essere utilizzato come fonte di energia rinnovabile per la produzione di elettricità e il riscaldamento.
Riferimenti
- Biotechnology: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK531462/
- Historical development and milestones in industrial biotechnology: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4873197/
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- Gene therapy and genetic engineering: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK215014/
- Environmental biotechnology: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6722514/
