Descrizione del modulo "Applicazioni sintetiche della biocatalisi (PM.P03.009.002)"

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  • Descrizione del modulo "Applicazioni sintetiche della biocatalisi (PM.P03.009.002)" (literal)
Potenziale impiego per bisogni individuali e collettivi
  • La realizzazione delle ricerche di biocatalisi applicata proposte in questo modulo, basato sul contributo integrato e sinergico dei ricercatori dell'ICRM con Università ed Industrie dovrebbe portare a risultati di cui potrà beneficiare sia la comunità scientifica nazionale ed internazionale che le industrie italiane attive nei settori della chimica fine e farmaceutica ed in campo alimentare. Si devono altresì attendere benefici in campo ambientale, riducendo l'inquinamento mediante lo sviluppo di processi industriali più puliti. Da ultimo, in ordine di citazione ma non di importanza, ci si aspettano ricadute nella formazione di giovani laureati e tecnici esperti nei settori delle bioconversioni e delle biotecnologie chimiche. (literal)
Tematiche di ricerca
  • La ricerca svolta in questo modulo, a cui afferiscono ricercatori dell'ICRM di Milano, esemplificherà i protocolli necessari per ottenere un biocatalizzatore, per caratterizzarlo ed ottimizzarne le prestazioni in trasformazioni 'su scala preparativa' di composti di interesse per l'industria farmaceutica, chimica, cosmetica e alimentare. In particolare, rispetto alle sei classi in cui vengono catalogati gli enzimi, verranno principalmente affrontate le problematiche connesse all'utilizzo di ossodoriduttasi (prima classe) e idrolasi (terza classe). Ovviamente non viene esclusa a priori la possibilità di studiare anche altri gruppi di enzimi, qualora le competenze dei ricercatori afferenti al Modulo venissero richieste da committenti esterni all'Ente (industrie, università, progetti di ricerca finalizzati nazionali o internazionali). Le reazioni biocatalizzate verranno condotte in vari ambienti di reazione (soluzioni acquose, sistemi bifasici, solventi organici) in modo da garantire le migliori prestazioni rispetto ai substrati da trasformare. Verrà anche data particolare enfasi agli studi di ottimizzazione del catalizzatore in termini di stabilità ed efficienza catalitica. (literal)
Competenze
  • I ricercatori dell'Istituto di Chimica del Riconoscimento Molecolare (ICRM) (e i colleghi dell'ICB) occupano una posizione preminente in campo nazionale nel settore della biocatalisi, come documentato dalle numerose pubblicazioni, brevetti, contratti di ricerca con industrie, relazioni su invito a Congressi nazionali ed internazionali. In particolare, il personale aderente alla commessa e'parte dello Steering Committee dell'European Section on Applied Biocatalysis dell'European Federation of Biotechnology. Alcuni dei ricercatori coinvolti sono Editors o membri dell'Editorial Board di riviste specialistiche del settore. Numerosissime sono state altresì le partecipazioni a Programmi di ricerca finanziati dalla Comunità Europea, dalla Regione Lombardia e a Progetti Strategici e Finalizzati nell'ambito delle biotecnologie aventi come tema la biocatalisi. (literal)
Potenziale impiego per processi produttivi
  • Ci si aspetta che i risultati ottenuti da queste ricerche possano avere ricadute in diversi settori industriali, in particolare nel settore alimentare (contribuendo alla preparazione, modifica e upgrading di aromi naturali e fragranze, amminoacidi, fosfolipidi), cosmetico (sintesi eco-compatibile di additivi per prodotti di bellezza) e in quello della chimica fine e farmaceutica (preparazione di intermedi e di prodotti di elevatissima purezza chimica ed enantiomerica). Le positive esperienze di collaborazione con svariate industrie italiane nell'ambito della biocatalisi applicata, passate ed in corso, fanno ritenere che alcune di queste applicazioni siano ormai prossime ad una effettiva introduzione in processi produttivi. (literal)
Tecnologie
  • Biologia molecolare: per clonare e sovraesprimere nuovi enzimi; per determinare gli aminoacidi essenziali per l'attività catalitica (side-directed mutagenesis); per migliorare la stabilità e le prestazioni degli enzimi (\"protein engineering\"). Immobilizzazione di enzimi: per migliorarne la stabilità e, in taluni casi, le prestazioni. Modellazione dell'ambiente di reazione: scelta del solvente o del cosolvente organico per migliorare la selettività enzimatica (\"medium engineering\") (literal)
Obiettivi
  • L'obiettivo generale è lo sviluppo di nuovi processi biocatalizzati finalizzati alla preparazione di molecole biologicamente attive, di interesse per l'industria chimica, farmaceutica, alimentare, e cosmetica. L'attività di ricerca, dettagliata nelle successive schede di attività, si prefigge il raggiungimento dei seguenti tre obiettivi specifici: a) Isolamento, caratterizzazione e ottimizzazione delle prestazioni di nuovi biocatalizzatori b) Utilizzo di trasformazioni biocatalizzate nella sintesi di composti ad attività biologica c) Scaling-up delle reazioni biocatalizzate. (literal)
Stato dell'arte
  • Con il termine 'biocatalisi' si intende lo sfruttamento delle peculiari proprietà degli enzimi o microorganismi per la soluzione di problemi nei settori della chimica fine e farmaceutica, dell'agrochimica ed in campo alimentare e ambientale. La biocatalisi è una componente essenziale della biotecnologia 'white' o industriale ritenuta dalla Commissione Europea, dal CEFIC e dalla Biotec Industries Association una componente fondamentale per lo sviluppo in Europa di una chimica sostenibile. La biocatalisi offre tutti i vantaggi delle procedure catalitiche a-biologiche, ed altri aggiuntivi. Gli enzimi sono disponibili da fonti naturali e 'per definizione' sono biocompatibili. Svolgono la loro azione in condizioni di reazione blande, solitamente a temperatura ambiente, con notevole risparmi energetici. Sono facilmente recuperabili e riutilizzabili, se trattati e conservati in modo opportuno. In campo internazionale, le attività che coinvolgono la biocatalisi sono intensissime sia a livello industriale che accademico. Anche in Italia vi è una vivace attività di ricerca in questo settore. (literal)
Tecniche di indagine
  • Essendo un settore prettamente multidisciplinare, la biocatalisi richiede competenze sia di tipo chimico che biochimico. Questo vale anche per le metodologie impiegate, che comprendono sistemi analitici per valutare l'andamento delle reazioni (TLC, GC, HPLC), per caratterizzare la struttura e/o la purezza enantiomerica dei prodotti ottenuti (NMR, massa, IR, UV, potere ottico rotatorio, GC e HPLC con colonne a fase stazionaria chirale) e, in alcuni casi, l'utilizzo di modellistica molecolare per simulare l'interazione enzima-substrato, tutte metodologie di tipo chimico. A queste vanno aggiunte le metodologie utili per valutare il grado di purezza e le proprietà degli enzimi utilizzati (tecniche elettroforetiche, cromatografie di gel-permeation) e per seguire i processi necessari per l'espressione e la purificazione di questi biocatalizzatori. (literal)
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