Prima di immergerci nell’argomento di oggi, permetteteci di presentarvi il nostro progetto. Noi siamo I’m in Fermentation, un blog dedicato a rendere chiaro e accessibile il micro-mondo degli alimenti fermentati e della microbiologia. Il nostro obiettivo è fornire risposte chiare e semplici alle tante domande che circondano questo affascinante campo, attraverso contenuti divulgativi supportati da solidi basi scientifiche. Alla fine di ogni articolo troverete le fonti consultate, per garantire che ciò che leggete sia affidabile e comprovato. Speriamo che il nostro approccio vi piaccia e che possiamo creare una community basata sulla crescita reciproca e continua. Nel nostro blog colleghiamo spesso l'attività microbica alla produzione alimentare, poiché i microrganismi, tramite il loro metabolismo, trasformano gli alimenti rendendoli più conservabili, appetibili e sani.

L'ARTICOLO RISPONDE ALLE SEGUENTI DOMANDE:

• Qual è il contributo dei microrganismi alla microbiologia industriale e alle biotecnologie moderne?
• Come viene sfruttata la fermentazione microbica per produrre biomasse, metaboliti ed enzimi?
• In che modo la microbiologia applicata e l'ingegneria genetica stanno innovando la produzione di sostanze complesse come i cannabinoidi?

LE APPLICAZIONI INDUSTRIALI DEI MICROORGANISMI

Dall'antichità si producono alimenti fermentati, ma è grazie all'identificazione dei microrganismi responsabili che la microbiologia si è trasformata in una disciplina scientifica. Questa evoluzione ha portato a importanti ramificazioni, come la microbiologia alimentare , focalizzata sulla produzione di alimenti fermentati, e la microbiologia industriale , cuore delle moderne biotecnologie .

Cos'è la microbiologia industriale? Si tratta dell'uso deliberato e controllato di microrganismi per processi specifici, capaci di produrre beni e servizi. Questo avviene grazie a tecniche avanzate come la selezione microbica e l'ingegneria genetica, che collocano questa disciplina tra i pilastri delle biotecnologie moderne, toccando molti settori della produzione industriale.

La microbiologia industriale ha origine nel settore alimentare e trova i suoi primi sviluppi nelle Colture Pure. Nel 1883, Emil Hansen realizzò il primo processo di birrificazione con un ceppo puro di Saccharomyces cerevisiae presso Carlsberg, segnando l'inizio della produzione industriale di lievito, un traguardo fondamentale nelle biotecnologie applicate.

Negli anni successivi, l'utilizzo dei microrganismi ha guadagnato terreno nell'industria. Il '900 ha visto l'espansione della produzione di composti come acetone e butanolo, ottenuti su larga scala tramite la fermentazione di Clostridium acetobutylicum . Con i progressi nella sterilità e nella progettazione di impianti fermentativi di grandi dimensioni, l'industria microbica si è evoluta, rendendo possibile la produzione di antibiotici come la penicillina e altre biomasse microbiche di rilievo.

A partire dagli anni '80, l'attenzione si è spostata verso prodotti a rese inferiori ma ad alto valore aggiunto. L'avanzamento delle scienze genetiche ha permesso, ad esempio, la produzione di molecole complesse come l'insulina—tradizionalmente considerata animale—tramite il metabolismo microbico. Questo ha portato ad una rivoluzione nella biotecnologia microbica , consentendo la sintesi di molecole impossibili da ottenere con le tecniche tradizionali.

Nel campo medico, la microbiologia industriale ha contribuito a scoperte fondamentali, come le ciclosporina, utilizzate nei trapianti di organi, e le statine, fondamentali per la gestione del colesterolo.

Come affermò Foster nel 1949: "Occorre non sottovalutare le potenzialità dei microrganismi" , un messaggio ancora attuale nell'era delle biotecnologie avanzate e delle innovazioni nella fermentazione industriale.

LA CLASSIFICAZIONE DEI PRODOTTI

I prodotti derivati ​​dai processi microbici, centrali nella microbiologia industriale e nelle biotecnologie , possono essere classificati in diverse categorie:

1. Biomasse Microbiche

   In questa categoria rientrano i microrganismi stessi, commercializzati vivi o morti a seconda delle esigenze applicative, esempi:

• Lievito di birra , uno dei pilastri della fermentazione , venduto in vari formati (fresco, secco, in polvere) e utilizzato per la panificazione e la produzione di bevande.
• Fonte proteica: microrganismi impiegati come integratori per l'alimentazione animale, un'applicazione chiave delle moderne biotecnologie .

1. Metaboliti Primari

   Queste sono molecole essenziali prodotte durante il metabolismo energetico dei microrganismi, spesso realizzate su larga scala grazie alla fermentazione industriale, esempi:

• Etanolo : utilizzato nella produzione di bevande alcoliche e come biocarburante, un perfetto esempio di microbiologia applicata .
• Acido citrico e lattico : additivi alimentari e conservanti.
• Aminoacidi (es. lisina): fondamentali per l'integrazione alimentare.

1. Metaboliti secondari

   Questi composti, non essenziali per la crescita o riproduzione cellulare, hanno funzioni biologiche specifiche. La loro produzione è spesso legata a condizioni particolari ea microrganismi specifici, evidenziando il ruolo delle biotecnologie microbiche, esempi:

• Antibiotici (es. penicillina), una delle scoperte più importanti della microbiologia industriale .
• Molecole promotrici della crescita.
• Inibitori enzimatici per applicazioni biotecnologiche.

1. Enzimi

   La produzione di enzimi tramite fermentazione microbica è altamente sviluppata grazie alla sua efficienza e ai costi contenuti. La loro posizione intra- o extra-cellulare influisce sui processi di estrazione finale (downstream), che possono incidere sui costi di produzione. Tra questi, il settore degli estremi enzimi spicca per la sua capacità di produrre enzimi adattati ad ambienti estremi. Esempio di enzimi:

• Taq polimerasi , isolato dal Thermus acquatico , essenziale nelle tecniche di amplificazione del DNA (PCR). Questa scoperta ha rivoluzionato le biotecnologie genetiche , consentendo progressi nel sequenziamento del DNA e nello studio della genetica.

1. Prodotti Complessi

   Questi derivano dalla combinazione di substrati trasformati e microrganismi, con ampie applicazioni nelle biotecnologie alimentari e non solo.

   Esempi:

• Alimenti fermentati : yogurt, formaggi e prodotti lievitati, simboli della sinergia tra fermentazione microbica e microbiologia alimentare .
• Applicazioni industriali oltre il settore alimentare: macerazione di fibre tessili e trattamento dei rifiuti organici, mostrando l'ampia versatilità della microbiologia industriale .

Il mondo della microbiologia industriale , come si evince da questo articolo, è incredibilmente vario e vasto. Le sue connessioni con le biotecnologie ei processi di fermentazione sviluppano scenari affascinanti, sia per la ricerca che per le applicazioni industriali. Di seguito, vi porto esempi specifici che mi hanno particolarmente incuriosito. Se volete approfondire uno di questi argomenti o desiderate esplorare altro, lasciate un commento!

I COLORANTI MICROBICI NATURALI

I coloranti microbici stanno emergendo come una valida alternativa ai coloranti sintetici, grazie alle loro proprietà eco-friendly, biodegradabili e antimicrobiche. Questa innovazione, frutto delle moderne biotecnologie e della microbiologia applicata , trova applicazione in diversi settori industriali. L'industria tessile, nota per il suo significativo impatto ambientale, è tra i principali settori interessati a pigmenti naturali più sostenibili e facilmente estraibili grazie ai progressi della fermentazione microbica .

Vantaggi dei Pigmenti Microbici:

• Produzione rapida e ad alta resa, grazie ai processi di fermentazione industriale .
• Facilità di crescita dei microrganismi, un pilastro della microbiologia industriale .
• Estrazione semplice delle molecole coloranti, spesso ottimizzata tramite ingegneria genetica, una delle tecniche più avanzate delle biotecnologie .

Tra i pigmenti più promettenti troviamo carotenoidi, chinoni, antocianine e betalaine, già utilizzati nel settore alimentare e cosmetico per le loro proprietà antiossidanti e fotoprotettive. Un esempio emblematico è il beta-carotene, prodotto da Blakeslea trispora e approvato nel 1995 per uso alimentare, un chiaro esempio di sinergia tra microbiologia e biotecnologie .

Nel settore tessile, pigmenti derivati ​​da Trichoderma spp. e Aspergillus spp. sono già utilizzati per tingere cotone e seta. Tuttavia, la loro biodegradabilità richiede tecniche di stabilizzazione come la micro-incapsulazione e le nano-formulazioni. Queste tecniche, già ampiamente applicate nell'industria alimentare per yogurt, bevande analcoliche e dolci, dimostrano come la fermentazione microbica e le biotecnologie contribuiscono alla creazione di soluzioni sostenibili.

• Micro-incapsulazione: crea capsule biodegradabili (ad esempio in maltodestrine o inulina) che proteggono le molecole sensibili, essenziali per prodotti alimentari e cosmetici.
• Nano-formulazioni: utilizzate per produrre creme, spray e schiume, sfruttano emulsioni stabili, un esempio di innovazione nel campo delle biotecnologie .

Oltre al settore farmaceutico e alimentare, il settore cosmetico mostra un crescente interesse per i pigmenti microbici. Ingredienti come l'acido ialuronico e le microalghe verdi ( Chlorella spp. ) sono esempi di biomasse microbiche utilizzate come agenti anti-rughe in lozioni per la pelle. Pigmenti come la violaceina, prodotta da batteri, offrono protezione UV e proprietà antibatteriche, rendendoli ideali per creme solari e cosmetici per pelle e capelli.

Il settore tessile, che utilizza oltre 1,3 milioni di tonnellate di coloranti sintetici, di cui 200.000 tonnellate disperse come effluenti, potrebbe trarre grande beneficio dall'adozione di pigmenti microbici. Questa innovazione rappresenta un passo cruciale verso una produzione più sostenibile e responsabile, in linea con i principi delle biotecnologie sostenibili e dell'economia circolare.

Un esempio interessante è il pigmento rosso estratto da Talaromyces verruculosus , utilizzato per tingere cotone in condizioni di pH 7, a 30°C per 24 giorni. L'aggiunta di zucchero da tavola, favorendo una fermentazione microbica più spinta, ha dimostrato di aumentare la sintesi del pigmento. Questo caso, descritto nello studio “Estrazione e ottimizzazione della produzione di pigmenti rossi come metaboliti secondari da Talaromyces verruculosus e suo potenziale utilizzo nelle industrie tessili”, sottolinea l'importanza della microbiologia applicata nelle innovazioni industriali.

SETTORE DELLE SOSTANZE CHIMICHE AD USO DI LABORATORIO

La transizione verso sostanze chimiche bio-based rappresenta un passo cruciale nell'applicazione delle biotecnologie e della microbiologia industriale . Questo cambiamento mira a sostituire i metodi petrolchimici con alternative più sostenibili, migliorando la sicurezza in laboratorio e riducendo l'impatto ambientale. Grazie ai progressi nella fermentazione microbica , alcune sostanze a base biologica hanno già trovato applicazione su larga scala.

Tra gli esempi più rilevanti, spicca la produzione di acido succinico, un importante prodotto delle biotecnologie microbiche , che resta però limitato a mercati di nicchia. Nel confronto, acido lattico e acido itaconico, ottenuti attraverso processi di fermentazione , sono già prodotti su larga scala, dimostrando il potenziale delle soluzioni bio-based.

Le difficoltà nel diffondere la produzione biobased su larga scala sono legate a:

• Domanda globale elevata, che richiede sistemi di fermentazione industriale altamente efficienti.
• Prezzi competitivi delle sostanze petrolchimiche, spesso sovvenzionate, che mettono a dura prova la diffusione delle alternative bio-based.
• Impianti già ammortizzati per la produzione tradizionale, che contrastano con i costi iniziali elevati degli impianti per processi bio-based, basati su tecnologie avanzate di microbiologia e biotecnologie .
• Necessità di un mercato in crescita per giustificare investimenti significativi nel settore delle sostanze di origine biologica.
• Volatilità del petrolio, che ostacola previsioni economiche affidabili e rende più complesso il passaggio a una chimica biobased.

Questi ostacoli sottolineano l'importanza delle strategie mirate e degli investimenti significativi per promuovere una transizione più ampia verso la chimica di origine biologica. Un quadro normativo adeguato, integrato con incentivi mirati, è indispensabile per supportare lo sviluppo di questo settore e garantire l'adozione delle soluzioni più innovative.

CANNABINOIDI MICROBICI PER L'USO IN MEDICINA

La Cannabis sativa L. è una pianta coltivata da millenni per le sue molteplici proprietà, incluse quelle medicinali. I cannabinoidi, composti bioattivi presenti in questa specie, hanno dimostrato un elevato potenziale terapeutico. Tuttavia, l'uso della cannabis medicinale è spesso limitato da legislazioni restrittive, basse concentrazioni di cannabinoidi naturalmente presenti nella pianta e complessità chimiche che rendono difficile la loro sintesi su larga scala. È qui che le moderne biotecnologie e la microbiologia industriale offrono soluzioni innovative.

Uno studio innovativo condotto da Luo et al. (2019) e pubblicato su Nature ha dimostrato che è possibile produrre completamente alcuni dei principali cannabinoidi (tra cui acido cannabigerolico, acido Δ9-tetraidrocannabinolico, acido cannabidiolico, acido Δ9-tetraidrocannabivarinico e acido cannabidivarinico) utilizzando il lievito Saccharomyces cerevisiae come piattaforma biotecnologica. Questa applicazione rappresenta una combinazione pionieristica di fermentazione microbica e ingegneria genetica.

Attraverso tecniche avanzate di ingegneria genetica, i ricercatori hanno inserito nei ceppi di lievito specifici geni, inclusi quelli della Cannabis , per riprodurre le vie metaboliche necessarie alla produzione di questi composti bioattivi. Dopo una selezione accurata, sono stati ottimizzati substrati e percorsi metabolici intermedi per migliorare la resa dei cannabinoidi bersaglio, dimostrando il potenziale delle biotecnologie microbiche .

Il ceppo finale ottenuto, denominato yCAN53, è stato in grado di produrre acido tetraidrocannabinolico (THCA) e acido tetraidrocannabivarinico (THCVA) in quantità rispettivamente di 8 mg/L e 4,8 mg/L. Sebbene queste rese siano ancora migliorabili, il metodo rappresenta un progresso significativo verso un processo sostenibile e indipendente dalla coltivazione della Cannabis , posizionandosi come un'importante innovazione nel campo della microbiologia applicata .

Inoltre, il processo ha permesso la produzione di cannabinoidi sintetici o innaturali, ampliando il ventaglio di composti chimici disponibili per future applicazioni farmaceutiche. L'utilizzo del galattosio come substrato, un sottoprodotto valorizzato da altre industrie, è un esempio pratico di economia circolare supportata dalla fermentazione microbica .

Questo approccio innovativo pone le basi per la fermentazione industriale di cannabinoidi, consentendo la produzione su larga scala di molecole bioattive, l'approfondimento delle loro potenzialità farmacologiche e lo sviluppo di nuovi farmaci. Questo supera le limitazioni attuali legate alla coltivazione della Cannabis e dimostra il potenziale delle biotecnologie per affrontare le sfide del settore medico e farmaceutico.

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CONCLUSIONI

L'articolo esplora l'enorme potenziale dei microrganismi nelle applicazioni industriali, che spaziano dall'alimentare al farmaceutico, dal tessile alla chimica verde. La microbiologia industriale , iniziata con l'uso pionieristico delle colture pure, ha evoluto processi produttivi sempre più sofisticati, sfruttando l'ingegneria genetica e le biotecnologie per ottenere prodotti ad alto valore aggiunto, come biomasse, enzimi, pigmenti naturali e persino cannabinoidi.

Questa disciplina si colloca al centro delle strategie per produrre una più sostenibile ed eco-friendly, promuovendo l'economia circolare e riducendo la dipendenza dalle risorse fossili. Le sfide non mancano: dalla competitività economica delle soluzioni bio-based alla necessità di rendere scalabili processi innovativi come la fermentazione microbica per cannabinoidi. Tuttavia, i progressi già ottenuti dimostrano che il futuro della microbiologia industriale è promettente e versatile, con un impatto potenziale su molteplici settori e sulla società in generale.

Con queste premesse, rimane fondamentale continuare a investire nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie microbiche avanzate, favorendo il dialogo tra scienza, industria e politica per superare gli ostacoli attuali e massimizzare le opportunità future.

Redatto da Renato Iliano per I'm in fermentation