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Biochimica Applicata - DM 270

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Applied Biochemistry

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Anno accademico 2023/2024

Codice attività didattica
MFN0244
Docenti
Enrica Pessione (Titolare)
Roberto Mazzoli
Corso di studio
LM in Biotecnologie Industriali
Anno
1° anno
Periodo
Primo semestre
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
7
SSD attività didattica
BIO/10 - biochimica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
Tipologia unità didattica
corso
Prerequisiti
Conoscenza dei principi della biochimica, dell’enzimologia e della catalisi enzimatica, dell’anatomia e della fisiologia della cellula procariota ed eucariota (corsi di Microbiologia Generale, Chimica Biologica, Metodologie Biochimiche)
Propedeutico a
Microbiologia Applicata, Igiene, Chimica delle Fermentazioni.
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

In accordo con gli obiettivi generali del corso di laurea magistrale, che prevedono per il primo anno  di corso, una serie di insegnamenti riferiti alle discipline proprie del contesto caratteristico delle biotecnologie industriali (sia per gli aspetti conoscitivi scientifici propri della biochimica industriale, della biochimica metabolica batterica, della proteomica, che per quelli applicativi), il corso si prefigge di formare gli studenti in modo che siano in grado di inserirsi in realtà industriali e /o territoriali avendo conoscenze di tecniche biochimiche e microbiologiche utilizzate nell'industria degli alimenti e delle fermentazioni alimentari così come nell'ambito del monitoraggio degli inquinanti ambientali, del biorisanamento, delle bioconversioni e della produzione di energia. Questo insegnamento concorre agli obiettivi formativi delle aree di applicazioni industriali alimentare e farmaceutica, fermentazioni, bioraffinerie e biorisanamento del corso di laurea in Biotecnologie industriali.

According to the general purposes of the Master degree course, that plan for the first year of courses, a number of teachings characteristics of the industrial biotechnology context (both for the theoretical aspects of industrial biochemistry, microbial metabolic biochemistry, proteomics, and their applications), the present course aims at educating the students to face the main problems of industrial biochemistry and industrial microbiology in order to have a place in the food industry, food fermentation, pollutants detection and removal, bioenergies and bioconversions. This course contributes to the educational objectives of the areas of food and pharmaceutical industrial applications, fermentation, biorefineries and bioremediation of the degree course in Industrial Biotechnology.

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Risultati dell'apprendimento attesi

 

In linea  con le conoscenze e competenze richieste per definire il profilo professionale caratteristico di un biotecnologo industriale, lo studente dovrà essere in grado di (dettaglio secondo i descrittori di Dublino)

A: CONOSCENZA e CAPACITA' di comprensione

  • conoscere e discutere aspetti di biochimica e fisiologia dei microrganismi impiegati in processi industriali
  • conoscere il metabolismo microbico e le sue implicazioni produttive

B: CAPACITA'  APPLICATIVE

  • dimostrare di sapere impostare esperimenti atti a realizzare le condizioni ottimali di crescita microbica e resa di metaboliti per processi industriali

C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO

  • saper analizzare la letteratura recente e leggere criticamente i risultati

D: ABILITA' NELLA COMUNICAZIONE

  • presentare alla prova orale un articolo di letteratura recente sulla produzione per via fermentativa di molecole ad uso industriale.

 


According to abilitities and competences requires by the peculiar  professional  profile of an industrial bioitechnologist , Students must acquire the following abilities, as detailed following the Dublin Descriptors

A: KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • knowledge and ability to discuss aspects connected with microbial physiology and metabolism

B: APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

  • setting experiments allowing maximum yield of products for applicative use in industrial processes

C: INDIPENDENCE IN JUDGEMENT

  • critically analysing the recent literature

D: COMUNICATION SKILLS

  • abilty to present a paper of the most recent literature concerning industrial biochemistry
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Programma

Introduzione:la biochimica dei microrganismi applicata all'ambiente e all'industria alimentare. Le popolazioni microbiche: loro evoluzione e loro metabolismo. Relazioni con pH, ossigeno, temperatura.

Rapporti ecologici tra microrganismi. Cooperazione: sintrofie, biofilms, feromoni, quorum sensing, ricombinazione genica naturale come meccanismo di ampliamento dei substrati biodegradabili. Antagonismo: competizione nutrizionale, enzimatica, metaboliti, batteriocine.

Principali cicli della materia(N, S, P, Fe) e cicli metabolici del carbonio di importanza applicativa: Strategie metaboliche microbiche per generare energia in assenza di ossigeno: glicolisi e destini del piruvato, metabolismo respiratorio anaerobio, fermentazioni, decarbossilazioni di acidi e amino acidi, ADI pathway. Regolazioni metaboliche a breve e lungo termine

Biochimica della produzione di alimenti. Fermentazione alcoolica: birrificazione, vinificazione, panificazione. Miglioramento biotecnologico degli enzimi implicati: alcool deidrogenasi metallo-sostituite, lieviti ricombinanti. Fermentazione omolattica ed eterolattica: produzione di yogurt, kefir, koumiss e formaggi: caseificazione, coagulazione, lipolisi e proteolisi; produzioni di peculiari caratteristiche ed aromi. Imbrunimento delle derrate alimentari: studio dei modulatori della tirosinasi.

Biochimica applicata alla cosmetologia: liposomi, inibitori della melaninogenesi.

Biochimica dei batteri di interesse probiotico: tolleranza ad acidi e Sali biliari,proteine di superficie,moonlighting proteins, capacità colonizzante, batteriocine, vie metaboliche gradite e sgradite. Concetto di prebiotico, post-biotico e syn-biotico. Molecole utili da probiotici. CLA. SCFA. Seleno-proteine, EPS, peptidi bio-attivi, batteriocine, molecole neuro-attive. Proprietà nutraceutiche e immunomodulanti,  capacità proteolitiche. Tecniche proteomiche per la valutazione di un probiotico.

Rilevamento e rimozione di molecole tossiche e metalli pesanti nell'ambiente: uso di microrganismi e loro enzimi come biosensori, apoforme enzimatiche per l'evidenziazione di metalli pesanti. Uso di microrganismi e loro enzimi come bioeffettori di disinquinamento (arsenico, cromo). Enzimi immobilizzati:adsorbimento, intrappolamento, microemulsioni, interazioni covalenti e covalenti-mediate. Esempi.

Biorisanamento: meccanismi ossigenasici per la mineralizzazione di composti organici alifatici ed aromatici, la via del beta-ketoadipato e la via "meta", la omega ossidazione per lo smaltimento dei tensioattivi, la defosfatazione biologica i la produzione di poliidrossialcanoati, la biodesolforazione degli idrocarburi, specificità di substrato degli enzimi coinvolti, aspetti biochimici della rimozione delle chiazze di petrolio nel mare e nei suoli. Batteri e ciclo dell'arsenico.

Produzione di energia: Concetto di economia circolare e valorizzazione dei rifiuti. La metanogenesi autotrofica ed eterotrofica finalizzata alla produzione di biogas e fertilizzanti, idrogenasi e nitrogenasi per la bioproduzione di idrogeno, strategie per la conversione di scarti caseari (siero di latte e scotta) e cellulosici in etanolo e butanolo.

Bioraffinerie e ingegneria metabolica per le bioconversioni di biomasse:biomasse e bioraffinerie. Sistemi industriali per la bioconversione di biomasse lignocellulosiche: configurazioni, vantaggi e svantaggi. Cellulasi e sistemi enzimatici naturali per la depolimerizzazione della cellulosa. Fermentazione dell'emicellulola. Ingegneria metabolica per la costruzione di microrganismi capaci di fermentare direttamente biomasse cellulosiche a etanolo e butanolo. Recombinant and native cellulolytic stategies: vantaggi e limiti. Strategie per aumentare la tolleranza dei microogranismi ai solventi. Produzione biologica di idrogeno: biofotolisi diretta e indiretta, fotofermentazione, dark fermentation. Coltivazione di batteri su scarti per ottenere prodotti diversificati: bioplastiche, enzimi, EPS.

Parte pratica: Esercitazioni nel laboratorio di ricerca. Sono previste visite  ad un laboratorio di biologia cosmetologica, e di bioconversioni alimentari. E' prevista una revisione critica da parte degli studenti di un articolo recente di biotecnologia industriale.

 

Introduction. Microbial biochemistry and its applications on food and environment. Evolution of microbial populations and microbial metabolism. Temperature,pH and oxygen relationships

Ecological relationships among bacteria: Cooperation: synthrophies, biofilms, quorum sensing, pheromones, genetic exchanges. Antagonism: nutritional competition, displacement, end-metabolites, enzymes and bacteriocins

Main metabolic cycles for applied biochemistry. Eterotrophism, autotrophism, anabolism, catabolism, carbon cycles, aerobic metabolism, anaerobic respiration, fermentation, amino acid decarboxylations, ADI pathway, nitrogen, sulphur, phosphorus cycles. Long and short term metabolic regulation: modulation at gene level, mRNA level, protein level,catalytic control.

Food fermentations and production of fermented food: Alcoholic fermentation and enzymes involved: production of bread, wine, beer and secondary fermentations(malolactic). Acetate production. Lactic fermentation and bacteria involved, homolactic, heterolactic: production of cheese, yougurt. Propionic fermentation. Lipolysis and proteolysis. Amino acid fermentations and ADI: significance for lactic acid bacteria and for human health. Food browning and tyrosinase modulators.

Probiotics and their uses. Acid, bile salt and enzyme resistance, adhesion, competition for colonization, bacteriocin production. Concept of prebiotics, post-biotics, syn-biotics. Immune system-bacteria cross talk, CLA, SCFA, Seleno-protein and EPS production. Proteolytic potential, moonlighting proteins, selenium fixing ability. Proteomics as a tool for probiotics typing.

Biochemistry applied to cosmetics: liposomes, melanogenesis inhibitors.

Detection and removal of toxic compounds and xenobiotics: apoenzymes as metal detectors, pesticide biosensors, immobilized enzymes as strategies for industrial processes. Immobilization strategies. Adsorbed enzymes, covalently bound enzymes, intrapment immobilization in three dimensional matrices, microemulsions, liposomes, microcapsules. Industrial applications.

Bioremediation: omega-oxidation for the removal of surfactants, beta-keto-adipate pathway for aromatic xenobiotics, meta route. Enzymes involved. Oil spills removal from the sea. Bio-dephosphatization strategies using normal conditions and under stress, Bardenpho approach, denitrification, PHA accumulation, biodelsulfurization fo coal and oil. Enzyme specificity. Arsenic respiration and arsenic  and chromium removal.

Energy production: Circular economy concept for waste valorization, metanogenic bacteria and the eterotrophic production of metane. Syntrophic chains. Autotrophic metane production from carbon dioxyde. Substrates suitable for metanization. Applications. Nitrogenase and hydrogenase way to produce hydrogen. Ethanol and buthanol production by yeasts and by lactose-utilizing yeasts and bacteria. Dairy waste recycling: milk whey and "scotta".

Biorefineries and metabolic engineering for biomass bioconversions. Biomasses and biorefineries. Industrial systems for bioconversion of lignocellulosic biomass: configurations, advantages and disadvantages. Cellulases and natural enzymatic systems for the depolymerization of cellulose. Hemicellulose fermentation. Metabolic engineering for the construction of microorganisms capable of directly fermenting cellulosic biomass to ethanol and butanol. Recombinant and native cellulolytic strategies: advantages and limitations. Strategies for improving microbial tolerance to solvents. Biological production of hydrogen: direct and indirect biophotolysis, photofermentation, dark fermentation. Cultivation of bacteria on waste to obtain diversified products: bioplastics, enzymes, EPS.

Laboratory work. Includes i) Lab experience related to food proteine characterization and detection ii) a visit to a food processing laboratory. iii)  a practical work in a cosmetologic laboratory

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Modalità di insegnamento

L'insegnamento nella sua totalità prevede lezioni frontali in aula e attività di laboratorio volte all'approfondimento pratico delle nozioni impartite. L'insegnamento si articola in 48 ore di lezione frontale, 16 ore di esercitazioni di cui 8 in laboratorio e 8 relative a visite guidate a realtà industriali del territorio. 

Le lezioni saranno svolte in presenza. Modalità didattiche alternative (streaming) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazioni di Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19.

 

48 hours of lesson and 16 hours of laboratory work (8hrs in the research lab and 8hrs in visiting food or cosmetic laboratories in the sourroundings of Torino). 

Lectures will be held in presence. Streaming will be activated in case of changes and new rules on Covid-19 emergency procedures.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

Una prova orale con due domande vertenti sulla biochimica ambientale, bioenergie e bioconversioni e una prova in itinere (esonero) sui temi introduttivi generali (evoluzione microbica, metabolismo microbico, regolazioni metaboliche) e della biochimica alimentare. Gli studenti sono anche indirizzati a presentare un articolo della letteratura recente su aspetti applicativi della biochimica microbica. Il voto finale viene calcolato facendo la media aritmetica fra i voti della prova in itinere e dell'esame sulla parte di biochimica ambientale, bioenergie e bioconversioni. Il giudizio sulla presentazione dell'articolo viene utilizzato per eventuale arrotondamento in eccesso o in difetto del voto complessivo. 

Gli esami si svolgeranno in presenza, con la sola eccezione per gli studenti e le studentesse che autodichiarano, in relazione al Covid-19, fragilità personale o positività. Modalità alternative (online) potranno essere introdotte a seguito di nuove raccomandazioni di Ateneo in relazione allo stato della pandemia Covid-19.

Oral exam dealing on environmental biochemistry, bioenergy and bioconversions. In itinere oral exam concerning the general introductory part (microbial evolution and metabolism, metabolic regulations) food applied biochemistry. A power point presentation (during the course) dealing with a recent paper of the literature is required. The final grade is calculated by the arithmetic average between the grades of the ongoing test and the exam on the part of environmental biochemistry, bioenergy and bioconversions. The judgment on the presentation of the article is used for any rounding up or down of the overall grade. 

Exams will be in presence with the exception for students with frailty or health issues related to Covid -19 as indicated by University guidelines, who can have online exams. New procedures might be decided by the University of Torino in case of changes on the Covid-19 pandemic situation.

Testi consigliati e bibliografia

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Appunti delle lezioni

 

Slides of the course



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Note

Primo semestre

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Altre informazioni

http://biotecnologieindustriali.campusnet.unito.it/documenti/att/df5b.dQ6rc3IIzKNM.file.pdf
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    Ultimo aggiornamento: 04/05/2023 18:03
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