La biotecnologia è uno strumento essenziale per la sostenibilità globale, in quanto utilizza i sistemi biologici per generare soluzioni innovative per la produzione di cibo, energia e materiali, nonché per la protezione dell’ambiente. Questa disciplina non solo cerca di ridurre il nostro impatto ecologico, ma anche di migliorare la salute e l’efficienza dei processi.
Di seguito, esploriamo le principali applicazioni delle biotecnologie nella produzione sostenibile:
1. Agricoltura e produzione alimentare
La biotecnologia rivoluziona l’agricoltura per renderla più sostenibile e sicura, utilizzando sia gli organismi che i loro componenti per migliorare le colture e l’alimentazione:
- Microrganismi benefici: la biotecnologia microbica e fungina è fondamentale. Alcuni microrganismi (batteri, funghi e alghe) agiscono come biofertilizzanti fissando l’azoto, solubilizzando i fosfati e producendo ormoni della crescita, riducendo la necessità di prodotti chimici.
- Colture geneticamente modificate: l’ingegneria genetica consente di sviluppare colture “intelligenti”, resistenti ai parassiti o in grado di prosperare in condizioni avverse. D’altra parte, la biofortificazione delle colture è stata considerata una delle più importanti scoperte scientifiche. Un esempio è il riso dorato con un alto contenuto di vitamina A, che combatte i problemi di malnutrizione e perdita della vista che questa carenza stava causando con un’alta incidenza soprattutto nelle regioni asiatiche. Le piante transgeniche possono essere utilizzate anche nel fitorimedio per assorbire metalli pesanti o addirittura per produrre bioplastiche biodegradabili.
- Produzione microbica di alimenti mediante fermentazione di precisione: i microrganismi geneticamente modificati sono fondamentali nell’industria alimentare per produrre vitamine, aminoacidi, proteine ed enzimi. Ad esempio, il fungo Fusarium viene coltivato in bioreattori per produrre alimenti come il Quorn, un sostituto della carne ad alto contenuto proteico e a basso contenuto di grassi, mentre l’Aspergillus oryzae viene utilizzato per produrre enzimi e composti nutrizionali.
2. Bioprocessi industriali
La biotecnologia industriale si concentra sulla produzione sostenibile di energia, materiali e sostanze chimiche, ottimizzando i processi attraverso la biocatalisi e i sistemi di coltivazione su larga scala:
- Enzimi e bioprodotti di alto valore: i funghi sono ideali per produrre enzimi complessi, metaboliti secondari e proteine. Pertanto, l’ottimizzazione dei ceppi nei bioreattori accelera la produzione industriale.
- Biocarburanti e bioenergia: le biotecnologie sono fondamentali per generare biocarburanti (bioetanolo, biodiesel, biogas) dalla biomassa, offrendo alternative ai combustibili fossili. Inoltre, le microalghe e i cianobatteri sono “fabbriche molecolari verdi” che producono biomassa ricca di lipidi. Vengono coltivate in fotobioreattori, dispositivi ottimizzati per convertire la luce in biomassa in modo efficiente e controllato. In termini di biocatalisi enzimatica, l’enzima lipasi può catalizzare la produzione di biodiesel in modo più pulito.
- Materiali sostenibili (bioplastiche): Le biotecnologie consentono di produrre bioplastiche biodegradabili, come i poliidrossialcanoati (PHA), che possono sostituire le plastiche a base di petrolio. I PHA sono prodotti da batteri in bioreattori a partire da varie fonti di carbonio, compresi i rifiuti industriali come il glicerolo grezzo proveniente dalla produzione di biodiesel.
3. Trattamento dei rifiuti e biorisanamento
La biotecnologia ambientale utilizza organismi e processi biologici per ripulire l’inquinamento:
- Biorisanamento e fitorisanamento: Il biorisanamento utilizza microrganismi (batteri, funghi) per degradare o sequestrare inquinanti come metalli pesanti, pesticidi e tossine. I funghi, ad esempio, possono degradare sostanze chimiche e plastiche. Il fitorisanamento, invece, utilizza le piante per assorbire o trasformare gli inquinanti.
- Trattamento avanzato delle acque reflue: i bioreattori sono essenziali negli impianti di trattamento delle acque reflue. I bioreattori a membrana consentono di ottenere un’elevata rimozione degli inquinanti e il recupero dell’acqua. I reattori batch sequenziali sono efficienti nella rimozione di inquinanti e nutrienti.
4. Medicina sanitaria applicata e biotecnologia
Le biotecnologie sono alla base delle innovazioni nella salute umana, dalla produzione di farmaci alla prevenzione delle malattie, spesso con la biocatalisi enzimatica che ne facilita la sintesi:
- Prodotti farmaceutici e composti bioattivi: La biotecnologia fornisce antibiotici e prodotti farmaceutici attraverso composti bioattivi come i peptidi antimicrobici.
- Le piante come biofabbriche farmaceutiche: Le piante transgeniche possono fungere da bioreattori per produrre farmaci di alto valore, tra cui anticorpi monoclonali per il cancro o antigeni per vaccini.
I bioreattori e i fermentatori sono al centro di molti processi biotecnologici. In essi, microrganismi e cellule lavorano in condizioni controllate per produrre qualsiasi cosa, da alimenti e prodotti farmaceutici a biocarburanti e materiali sostenibili. Grazie al loro design, i processi naturali possono essere scalati in modo efficiente, sicuro e pulito, trasformando il microscopico in soluzioni tangibili per l’agricoltura, l’industria, la salute e la cura dell’ambiente.
