La Chimica incontra la Biologia e la Bioingegneria

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Roberta Poletti
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1 Le Biotecnologie comprendono un gruppo di tecnologie che condividono due caratteristiche comuni: lavorare con cellule viventi e con le molecole (sostanze naturali) che esse producono. Biotecnologie Industriali: applicano le tecniche della moderna biologia molecolare per aumentare l efficienza e ridurre l impatto ambientale dei processi industriali. Biotecnologie ambientali: si usano nel trattamento dei rifiuti e nella prevenzione dell inquinamento, per un efficiente smaltimento (bioremediation) Applicazioni: industria alimentare (additivi), integratori, prodotti farmaceutici, applicazioni biomediche (collagene, vasi artificiali) La Chimica incontra la Biologia e la Bioingegneria Scienze della natura Scienze ingegneristiche Biotecnologia

2 Le sostanze naturali sono di interesse per l industria farmaceutica, cosmetica e alimentare Le sostanze naturali sono continua fontedicompostibioattivi Modificazioni strutturali di sostanze naturali producono nuovi prodotti bioattivi I processi biotecnologici si possono utilizzare per: produrre sostanze naturali, ad esempio, come metodi alternativi di conversione Sintetizzare nuovi composti non naturali costruendo cammini biosintetici artificiali Enzyme Engineering Cell Engineering Reaction Engineering Process Engineering E un lavoro di équipe tra ricercatori delle scienze naturali (chimici, biologi, biotecnologi) e bioingegneri

3 Alcune sostanze naturali hanno strutture complesse, ricche di centri stereogenici. Sono prodotti di isolamento da fonti vegetali, marine e microbiche. Si possono sintetizzare, ma le sintesi sono complesse, possono dare sottoprodotti (e quindi necessitare di diversi stadi di purificazione), possono dare rese scarse, usare reagenti e catalizzatori costosi e da riciclare, e quindi non sono competitive. Artemisinina Antimalarico sesquiterpene Vincristine Antileucemico Alcaloide Indolico Taxol Antitumorale Diterpene Gli enzimi possono essere valide alternative (approcci biotecnologici) L uso di enzimi per le sintesi chimiche si chiama biocatalisi

4 Produzione biotecnologica di artemisinina: la modulazione e regolazione dei sistemi enzimatici in rosso rendono l approccio sostenibile. Importanza farmacologica (Artemisinin based Combination Therapy) Isolata da Artemisia annua (semi selezionati ad alto contenuto) Sintesi chimica totale possibile da un altra sostanza naturale Sintesi biologica in lievito ingenerizzato usando: Farnesilpirofosfato (da Saccaromyces) Amorphadiene sintasi dalla pianta

7 Processi fermentativi e biopolimeri Sintesi da fonti di carbonio poco costose (es. glucosio) L acido lattico commerciale viene prodotto in modo naturale per fermentazione di zuccheri quali glucosio, saccarosio, lattosio. L acido polilattico o polilattide (PLA) e un estere alifatico termoplastico derivato da fonti naturali rinnovabli. Essendo in grado di degradare ad acido lattico, il PLA viene usato per gli impianti biomedici in forma di ancore, viti, piatti, pinze, stecche, e come rete. E utile per produrre borse compostabili, packaging alimentare, stoviglie e contenitori usa e getta.

8 La Chimica incontra la Biologia Metodi chimici avanzati applicati alle biotecnologie SCOPO: Progettazione di nuovi farmaci ( drug design ) Ottimizzazione chimica target oriented di composti bioattivi METODI: Conoscere la struttura molecolare tridimensionale (conformazione) di un principio attivo è fondamentale per capire come il farmaco interagirà con il suo intorno e riconoscerà il suo target ( molecular recognition ). Per ottenere queste informazioni occorrono metodi di indagine avanzati, quali la spettroscopia NMR e la cristallografia a raggi X, a loro volta integrati da simulazioni al calcolatore di meccanica e dinamica molecolare.

9 Polimorfismo: sostanze chimicamente identiche possono formare solidi con una diversa struttura cristallina PROBLEMA: Cristalli diversi dello stesso materiale hanno diverse proprietà chimico fisiche (solubilità, indice di rifrazione ) nt Theta nt Theta Theta Impronte digitali delle tre forme cristalline ottenute dall analisi ai raggi X nt. Quando nell industria farmaceutica si produce un principio attivo non è importante solo sintetizzare la molecola giusta, ma anche controllare la cristallizzazione perché forme cristalline diverse dello stesso farmaco potrebbero ad esempio sciogliersi troppo in fretta o troppo lentamente

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