Il Corso di laurea in Biotecnologia e il curriculum biologicoindustriale

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1 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 biologicoindustriale

2 Cosa sono le biotecnologie? Uso di organismi, cellule o loro parti ( ad esempio: enzimi) per sviluppare ed ottenere prodotti utili

3 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

4 Le biotecnologie sono una scienza nuova, interdisciplinare e necessaria per le innovazioni che permetteranno un nuovo modello di sviluppo sostenibile Le biotecnologie promuovono un circolo virtuoso tra ricerca in campo biologico, sviluppo tecnologico e le loro nuove applicazioni

5 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

6 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.

7 Prospettive in biotecnologia? Le biotecnologie sono strategiche per uno sviluppo sostenibile e alla base della bioeconomia Per saperne di piu : - US National bioeconomy blueprint ( - EU Horizon 2020 ( horizon 2020) - Expo 2015 ( e/il tema)

8 L Italia e il 3 paese in Europa in campo Biotech 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

9 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»

10 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». Synthetic Chemistry

11 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

12 Alcuni altri prodotti della chimica verde di uso comune Bioplastiche Biocarburanti Aromi Farmaci

13 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,.

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

15 Produzione di composti utili con processi a basso impatto ambientale: Produzione dell indaco: il blue dei blue jeans L indaco, come tante altre molecole di nostro interesse e una sostanza naturale. Puo essere estratto dall Indigofera pratensis, ma la quantita di indaco richiesta per i nostri blue jeans e molto piu alta di quella ottenibile dalla fonte naturale (di cui so causerebbe rapidamente l estinzione) Da molti anni si usa una sintesi chimica dell indaco. H N O 17,000 tons/year, mostly (40%) produced by BASF O N H Le soluzioni biotecnologiche: Uso di microrganismi opportunamente modificati (ingegneria proteica + ingegneria metabolica) che producono indaco. Il terreno di crescita dei microorganismi puo essere derivato da scarti agricoli o alimentari con il doppio risultato di ottenere un composto utile a basso costo e recuperando tali scarti. Ottenimento di piante di cotone modificato produttore di indaco produrranno cotone blu E allo studio anche la produzione di cotone ingualcibile!

16 Produzione di materiali (plastiche, fibre di origine bio) 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 (bio)carburanti (bioetanolo, biodiesel) per fermentazione microbica da ligninocellulosa derivata da piante non edibili e pretrattata con enzimi La fissazione della CO 2 da parte delle piante compensa almeno in parte quella emessa dalla combustione del carburante. La produzione di idrogeno da parte di enzimi isolati o batteri puo rendere disponibile anche questo carburante abbattendo l emissione di CO 2 in atmosfera

17 Industria alimentare Sviluppo di metodi per la tracciabilita, il controllo delle sofisticazioni, il rilevamento precoce della degenerazione Miglioramento dei metodi di conservazione dei cibi (ad es.: Controllo della maturazione di frutta) Miglioramento della qualita e del gusto degli alimenti Alimenti arricchiti di vitamine o altre sostanze utili o privi di alcune sostanze (ad es.: lattosio, colesterolo, allergeni)

18 Industria dei detergenti e della cura della persona. detersivi pulizia di lenti a contatto detergenti cosmetici Enzimi (ad es.: Lipasi e proteasi), proteine, vitamine e cofattori come additivi a detersivi, detergenti, cosmetici 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 rende possibile anche la loro ingegnerizzazione per migliorarne le proprieta in base all uso che se ne vuole fare.

19 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. Terapia genica, cellulare, con acidi nucleici e proteine (spesso enzimi) di malattie (anche ereditarie) Progettazione e sviluppo di farmaci (ad es.: nuovi antibotici per combattere batteri patogeni resistenti ai farmaci noti) Sviluppo di nuovi vaccini e nuovi modi di produzione e somministrazione. 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.

20 Diagnostica. Sviluppo di metodi rapidi e sensibili basati su sonde molecolari per indagini in campo medico, alimentare, ambientale,... Indagini Scientifiche, non solo in TV! I nuovi metodi diagnostici permettono anche terapie personalizzate in base alle caratteristiche genetiche dell individuo

21 Monitoraggio e risanamento ambientale Microrganismi biodegradatori possono 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. La luce della lucciola e prodotta dalla reazione catalizzata dall enzima luciferasi Si sfruttano fenomeni di bioluminescenza tipici di alcune proteine naturali: Gli studi su proteine fluorescenti, che hanno permesso di inventare nuovi sistemi di rilevamento sono stati premiati con il premio Nobel per la chimica nel 2008

22 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,sfruttate per 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.

23 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.

24 Le biotecnologie e la ricerca di base 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 importanti università e centri di ricerca con un intenso scambio di idee e persone.

25 Gli strumenti e le conoscenze per fare biotecnologie: un inizio Il 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? (

26 Gli strumenti e le conoscenze per le biotecnologie industriali: un inizio Il curriculum biologico industriale Gli insegnamenti di curriculum (semestre 4 6) Bioinformatica e biostatistica Biologia cellulare e funzionale delle piante Biologia computazionale Biotecnologie cellulari animali Biotecnologie delle fermentazioni Biotecnologie microbiche Biotecnologie vegetali industriali Metodi biochimici e biologico molecolari applicati alle biotecnologie Metodi chimici per le biotecnologie Orientamento al mondo del lavoro Processi biotecnologici per la produzione di sostanze naturali Corsi a libera scelta per approfondire alcuni aspetti

27 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 la Laurea Magistrale in Biotecnologie molecolari e (