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ARCHEOBATTERI E APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI LORO ENZIMI : 

ARCHEOBATTERI E APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI LORO ENZIMI Marco Cracco Siria Pinton

Campi di applicazione: 

Campi di applicazione NUTRIZIONE FARMACEUTICA DETERGENZA DIAGNOSTICA TESSILE CONCERIA 5 miliardi di €

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RIDUZIONE DEL RISCHIO DI CONTAMINAZIONE AUMENTO DELLA VELOCITÀ DI TRASFORMAZIONE RIDUZIONE DELLA VISCOSITÀ AUMENTO DELLA SOLUBILITÀ DEI SUBSTRATI I benefici dell’uso di enzimi dagli estremofili sono diversificati, ed includono:

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Nel 1977, Carl Woese e George Fox dell'università dell'Illinois hanno condotto un'analisi filogenetica comparativa, basata sulle sequenze del DNA e dell'RNA della piccola subunità ribosomiale (subunità 16S), che ha permesso la distinzione dei procarioti in due diversi regni: Eubacteria e Archeabacteria, modificati poi nel 1990 in Bacteria e Archea.

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In base all’analisi del DNA, gli Archeobatteri sono raggruppati in tre ordini: CRENARCHAEOTA, EURYARCHAEOTA e KORARCHAEOTA.

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ARCHEOBATTERI METANOGENI ALOFILI TERMOFILI Sebbene siano presenti anche in ambienti più ospitali, come il plancton, gli Archeobatteri sono gli abitatori degli ambienti più estremi ed inospitali della terra; ci sono diverse classificazioni riguardanti gli archeobatteri, secondo una di queste si distinguono in tre grandi gruppi: HABITAT ALTRI: Diversi Archaea possono tollerare altre condizioni estreme come ad esempio le alte pressioni (Paleococcus ferrophilus e Thermococcus barophilus), alti livelli di radiazione o di composti tossici (Pyrococcus furiosus) o scarsità di acqua e di provviste di nutrienti (Halobacterium sp.).Molti organismi appartenenti alla specie Bacillus infernus si trovano a 2.8 Km di profondità e alla temperatura di 75 °C, lo Staphylothermus marinus colonizza ambienti sul fondo degli oceani dove la temperatura raggiunge i 115 °C.

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TERMOFILI Includono organismi che hanno una crescita ottimale ad una temperatura compresa tra 60 e 108 °C, e possono svilupparsi a temperature ben superiori ai 100°C. Sono stati isolati da habitat terrestri e marini ad alta temperatura, tra essi i biotopi più comuni sono sistemi di sfiato idrotermali riscaldati a livello vulcanico e geotermico come le solfatare, le sorgenti calde naturali e le correnti calde sottomarine. Ad es: Pyrococcus Pyrodictium Igneococcus Thermococcus Methanococcus Archaeoglobus TERMOFILI MODERATI (50 – 60 °C) IPERTERMOFILI (80 – 108 °C) Geyser Sfiato vulcanico eruttante nella profondità marina

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ALOFILI Gli alofili comprendono batteri e Archeobatteri che hanno una crescita ottimale ad una concentrazione di NaCl superiore a quella dell’ acqua marina ( >0.6 M NaCl). In generale, i microrganismi alofili sono classificati come alofili moderati se possono crescere ad una concentrazione salina compresa tra 0.4 e 3.5 M di NaCl, e come alofili estremi se essi richiedono una concentrazione di NaCl superiore a 2 M per la loro crescita, e possono crescere ad una concentrazione di 5.5 M di NaCl (32%), corrispondente al punto di saturazione per l’NaCl in acqua. Gli alofili sono stati isolati principalmente presso laghi salati, come il Grande Lago Salato dello Utah (salinità >2.6 M), da lagune evaporate e saline costiere con una concentrazione di NaCl compresa tra 1 e 2.6 M. Ad es: Halobacterium salinarum nel Mar Morto ALOFILI MODERATI (0.4 – 3.5 M NaCl) ESTREMI (>2 M NaCl) Lago salato Chott al-Djeird (Tunisia) Salina costiera

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METANOGENI Includono organismi procarioti strettamente anaerobi che producono metano. Alcuni metanogeni sono capaci di crescere al di sopra dei 110 °C (Methanopyrus kandleri) o al di sotto di 0 °C (Methanogenium frigidum). I metanogeni si accontentano, per il loro metabolismo, dell'energia chimica prodotta da una reazione molto semplice: 4H2 + CO2 = CH4 + 2H2O in cui il gas metano (CH4) è prodotto dalla rimozione di elettroni dall'idrogeno gassoso (4H2), in assenza di ossigeno libero. La capacità dei batteri metanogeni viene sfruttata per produrre biogas utile per il riscaldamento o per alimentare le cucine. Methanosarcina acetivorans Ad es. Methanopyrus kandleri Si tratta di anaerobi obbligati, che usano l'idrogeno come fonte di energia e l'anidride carbonica come fonte di carbonio. In tal modo producono metano e questo si accumula nell'ambiente di accrescimento. È il processo attraverso il quale si è formato tutto il metano a nostra disposizione. I Methanopyrus sono abitanti usuali dell'intestino dei ruminanti.

CARATTERISTICHE: 

CARATTERISTICHE ARCHEOBATTERI VS BATTERI 1) PARETE CELLULARE: La parete cellulare degli Archeobatteri è composta da proteine, polisaccaridi o molecole peptidoglicano-simili, che al posto dell'acido muramico contengono acido talosaminouronico, mentre mancano i D-amminoacidi caratteristici dei batteri. 2) MEMBRANA CITOPLASMATICA: Gli archeobatteri sono caratterizzati da una membrana citoplasmatica, in cui i diacil-fosfogliceridi (che rappresentano l'impalcatura fondamentale delle membrane degli eucarioti e dei batteri) sono sostituiti da lipidi contenenti glicerolo e isoprenoidi. A differenza dei diacil-fosfogliceridi, nei quali il glicerolo è unito con legami estere a due acidi grassi, negli archeobatteri il glicerolo è unito con legame etere a due isoprenoidi. Gli isoprenoidi sono lipidi costituiti da unità ripetute di 5 atomi di carbonio (isoprene), che formano lunghe catene sature. I più frequenti isoprenoidi negli archeobatteri sono il fitanolo (C20) e il bifitanolo (C40). 3) LIPIDI : Si riconoscono due tipi fondamentali di lipidi: i glicerol-di-eteri che formano tipiche membrane a doppio strato, con un foglietto lipidico esterno ed un foglietto interno, simili a quelle degli altri due regni; i glicerol-tetra-eteri in cui entrambe le estremità delle molecole degli isoprenoidi sono legate ad una molecola di glicerolo. I glicerol-tetra-eteri formano, caso unico tra gli esseri viventi, membrane monostrato, costituite da un unico foglietto, composto da una parte idrofobica interna, rappresentata dalle catene idrocarboniose degli isoprenoidi e da una parte idrofila, a contatto con gli ambienti acquosi intra- ed extracellulare, rappresentata dalle molecole di glicerolo. Pur mantenendo le caratteristiche dei procarioti (assenza di un nucleo distinto e di organuli citoplasmatici rivestiti da membrane, presenza di un unico filamento di DNA, strutture di rivestimento più complesse rispetto alla cellula eucariote), date le condizioni estreme in cui possono svilupparsi, gli Archeobatteri presentano una composizione biochimica unica delle loro strutture di rivestimento, che conferisce loro una notevole impermeabilità e che li differenzia sia dai batteri che dagli eucarioti.

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A differenza dei diacil-fosfogliceridi, che alle alte temperature divengono notevolmente permeabili all'acqua e ai protoni, i lipidi degli Archeobatteri formano una impalcatura rigida che mantiene una notevole impermeabilità anche alle alte temperature. La rigidità della membrana degli Archeobatteri è dovuta ad un minor grado di movimento delle catene idrocarboniose dei lipidi, che è conseguenza della saturazione delle catene isoprenoidi e della presenza di legami etere invece che estere (= minor volume delle teste) e della eventuale formazione di anelli ciclopentanici. La presenza di anelli ciclopentanici, a causa del loro notevole ingombro sterico, riduce notevolmente la mobilità delle catene isoprenoidi, con un effetto simile a quello prodotto dal colesterolo nelle membrane eucariote. Per questo alcuni termofili possono controllare la fluidità della propria membrana, variando il numero degli anelli ciclopentanici da 1 a 8 nelle catene lipidiche.

APPLICAZIONI INDUSTRIALI di enzimi estremofili: 

APPLICAZIONI INDUSTRIALI di enzimi estremofili Molte delle applicazioni industriali riguardano enzimi provenienti da termofili o ipertermofili ma recentemente anche enzimi appartenenti agli altri gruppi di estremofili stanno acquistando importanza: PSICROFILI - INDUSTRIA ALIMENTARE - DETERGENZA - INDUSTRIA DELLA CARTA ALCALOFILI E ACIDOFILI - DETERGENZA ALOFILI - BIOCATALISI IN TERRENI ORGANICI

ENZIMI COINVOLTI NEI PROCESSI DI BIOTRASFORMAZIONE DELL’AMIDO: 

ENZIMI COINVOLTI NEI PROCESSI DI BIOTRASFORMAZIONE DELL’AMIDO L’amido è composto da unità di α-glucosio legate da legami glicosidici α-1,6 e α -1,4. Componenti dell’amido sono: amilosio amilopectina

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Molti enzimi degli archeobatteri sono coinvolti nel metabolismo dei carboidtrati, In particolar modo quelli appartenenti alla famiglia delle glicosil idrolasi sono molto interessanti da un punto di vista industriale. Questi enzimi possono essere classificati in : ENDO IDROLASI (α AMILASI) ESO IDROLASI (β AMILASI, GLUCOAMILASI E α GLUCOSIDASI)

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L’amido viene convertito in prodotti come: destrine, glucosio e fruttosio In tutti i processi di conversione dell’amido è richiesta un’elevata temperatura per liquefare l’amido e renderlo accessibile all’idrolisi enzimatica. La degradazione dell’amido comprende: Gelatinizzazione Liquefazione Saccarificazione L’utilizzo di enzimi amilolitici termostabili porta alla produzione di prodotti dolcificanti aventi caratteristiche simili alla gelatina, i quali possono essere utilizzati come sostituti di grassi e stabilizzanti di aromi.

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In molti processi industriali le temperature ottimali di reazione sono comprese tra 80°C e 90°C α amilasi panificazione produzione sciroppi zuccherati Industria tessile Produzione alcool

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L’enzima CGTasi (ciclodestrina glicosiltnsferasi) produce destrine cicliche da amido, amilosio e altri polissaccaridi Spesso le ciclodestrine vengono utilizzate: In campo alimentare per rilasciare aromi ed essenze Donare nuove caratteristiche a tessuti e indumenti Aumentare la solubilità dei composti idrofobici in soluzione

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ENZIMI CHE DEGRADANO LA CELLULOSA La cellulosa è uno dei più importanti polisaccaridi.È costituita da un gran numero di molecole di glucosio (da circa 300 a 3.000 unità) unite tra loro da un legame β-1,4 glicosidico. La celulosa può essere idrolizzata a glucosio dalle cellulasi; Le cellulasi sono costituite da tre tipi di enzimi che agiscono in sinergia e degradano la cellulosa con una reazione di idrolisi.

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DEGRADAZIONE DELLA CELLULOSA AD OPERA DI: Endoglucanasi Esoglucanasi Beta-glucosidasi Diverse cellulasi sono state isolate da S.solfataricus e da P.furiosus e sono state utilizzate nell’industria tessile e in detergenza per aumentare la luminosità dei colori, la morbidezza dei capi e favorire la rimozione dello sporco.

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ENZIMI CHE DEGRADANO LO XILANO Lo xilano costituisce il composto polimerico più importante dell’emicellulosa. La catena principale di questo polimero è composta da residui di xilosio uniti da legami glicosidici beta 1,4 con catene laterali di varia natura.Ad oggi solo pochi ipertermofili sono in grado di crescere su xilano e secernere enzimi xilanolitici termoattivi (Sulfolobus solfataricus)

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La completa degradazione dello xilano richiede l’azione di xilanasi (enzimi che catalizzano l’idrolisi di legami glicosidici tra residui di xilano) : Endo β1,4 xilanasi β1,4 xilosidasi. Negli ultimi anni xilanasi termostabili sono utilizzate nell’industria della carta; le xilanasi vengono utilizzate nel pretrattamento di sbiancamento della carta; si è visto che queste determinano una significativa riduzione della quantità di cloro e diossido di cloro usato. .Questa riduzione è di circa il 10-20% rispetto ad un processo privo di pretrattamento enzimatico.

BIBLIOGRAFIA: 

BIBLIOGRAFIA Antranikian G. and Egorova Ksenia (2005). Industrial relevance of thermophilic Archaea. Review. Bertoldo C. and Antranikian G. (2002). Starch-hydrolyzing enzymes from thermophilic archaea and bacteria. Curr Opin Chem Biol.6(2):151-60. Review. Bertoldo C. and Antranikian G. (2003). Biotechnology of Archaea, in Biotechnology, in Encyclopedia of Life Support System (EOLSS). Van den Burg B. (2003). Extremophiles as a source for novel enzymes. Curr Opin Microbiol.6(3):213-8. Review. Haki G. D. and Rakshit S. K. (2003). Developments in industrially important thermostable enzymes: a review. Bioresour Technol.89(1):17-34. Review. Demirjian D., Moris-Varas F.,m Cassidy C.S. (2001). Enzymes from extremophiles. Curr Opin Chem Biol. 5(2):144-51. Review.

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