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Oggetto:
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Biochimica Applicata - DM 270

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Applied Biochemistry

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Anno accademico 2019/2020

Codice attività didattica
MFN0244
Docenti
Prof. Enrica Pessione (Titolare del corso)
Dott. Roberto Mazzoli
Corso di studio
LM in Biotecnologie Industriali
Anno
1° anno
Tipologia
Caratterizzante
Crediti/Valenza
7
SSD attività didattica
BIO/10 - biochimica
Erogazione
Tradizionale
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Orale
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 del corso

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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

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.

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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
Oggetto:

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. CLA. SCFA. Catabolismo colesterolo ed acidi biliari, sequestro del plasminogeno, proprietà nutraceutiche e immunomodulanti, EPS. Capacità proteolitiche, capacità di organicare selenio. 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.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: 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. Ingegneria metabolica per la costruzione di microrganismi capaci di fermentare direttamente biomasse cellulosiche a etanolo, butanolo e acido lattico. Recombinant and native cellulolytic stategies: vantaggi e limiti. Coltivazione di batteri su scarti per ottenere prodotti diversificati: bioplastiche, enzimi, EPS. L. lactis ricombinante con cellulosomi da Clostridium per le produzione di PLA.

Parte pratica: Esercitazioni nel laboratorio di proteomica. Sono previste visite o seminari in collaborazione con l'Istituto Sperimentale per l'Enologia di Asti e un laboratorio di biologia cosmetologica. 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. Immune system-bacteria cross talk, CLA, SCFA, EPS production. Cholesterol and bile acids metabolism, Proteolytic potential, plasminogen activation, 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 removal.

Energy production: 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 on lignocellulosic biomass: configurations, advantages and disadvantages. Cellulases and enzymatic systems for cellulose depolymerization. Metabolic engineering for contruction of microbial strains able of direct conversion of lignocellulose into ethanol, butanol and lactic acid. Recombinant and native cellulolytic stategies: pros and cons. Use of low-cost wastes (vegetal biomassess) as substrates for production of EPS and biodegradable polymers. PLA production by recombinant L. lactis harboring cellulose-degradative enzymes (cellulosomes).

Laboratory work. Includes i) the learning of in-gel proteomic techniques, image analyses, and a theoretical teaching on mass spectrometry. ii) a visit to the Oenology Center for learning the methods used to typing strains and to control processes. 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.

 

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

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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

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.

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Testi consigliati e bibliografia

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: 04/06/2019 13:11
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