Introduzione | |
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| La Sezione di Microbiologia del Dipartimento di Biotecnologie Agrarie dell'Università degli Studi di Firenze, svolge attività di ricerca prevalentemente nei seguenti settori: | |
 | Biologia e biotecnologia dei microrganismi fotosintetici |
| Biotecnologia delle fermentazioni |
| Biotecnologie microbiche per la protezione dell'ambiente e per la produzione di metaboliti primari e secondari |
| Ecologia e biodiversità microbica |
| Microbiologia degli alimenti |
| Microbiologia del suolo |
| Monitoraggio e tipizzazione di microrganismi di interesse agro-alimentare ed ambientale |
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Il Responsabile della sezione di Microbiologia è il Prof. Roberto De Philippis | |
- APPLICAZIONE DELL'APPROCCIO PHENOTYPE MICROARRAY ALLA CARATTERIZZAZIONE DEI MICRORGANISMI (Prof. Luciana Giovannetti, Dr Carlo Viti).
La tecnologia del Phenotype MicroArray consente di ottenere un ampio quadro sulle capacità metaboliche di una cellula fornendo informazioni su circa 2000 caratteri fenotipici (permette di saggiare caratteri fenotipici legati al catabolismo e alla biosintesi di composti del carbonio, dell'azoto, del fosforo e dello zolfo; alla presenza di osmoliti; agli effetti degli ioni e di un vasto spettro di composti chimici quali antibiotici, antimetaboliti, inibitori della respirazione e metalli pesanti; all'influenza del pH sulla crescita). I dati conseguibili tramite la tecnologia del MicroArray fenotipo, dando informazioni a livello cellulare, integrano e completano quelle ottenute tramite analisi di tipo genomico e/o proteomico. Sebbene questo approccio sia stato utilizzato per studiare microrganismi isolati, oggi c'è una reale possibilità di applicarlo allo studio delle comunità microbiche dei suoli. Sono in corso numerose ricerche con gruppi nazionali ed internazionali sia per la caratterizzazione di microrganismi di interesse alimentare ed ambientale.
Applicando sia tecniche 'classiche' sia tecniche 'innovative' si stanno conducendo ricerche sull'impatto che differenti pressioni antropiche hanno sulla funzione, struttura e diversità della comunità microbica. I risultati conseguibili in questo settore hanno un interesse scientifico di base e nello stesso tempo forniscono utili informazioni per comprendere il rapporto che esiste tra variazioni della biodiversità della comunità microbica e stato di salute del suolo, per individuare indicatori microbici idonei per una gestione sostenibile dell'ecosistema suolo, per contribuire alla standardizzazione di tecniche di 'monitoraggio ambientale', per definire l'efficienza di un processo di risanamento.
- VALUTAZIONE DELLA BIODIVERSITÀ E TIPIZZAZIONE DI MICRORGANISMI DI INTERESSE BIOTECNOLOGICO (Prof. Luciana Giovannetti, Dr Carlo Viti).
Mediante l'applicazione di tecniche molecolari basate sugli acidi nucleici, viene studiata la biodiversità e vengono tipizzati ceppi appartenenti a microrganismi d'interesse biotecnologico. La determinazione della diversità presente in un gruppo microbico e la possibilità di riconoscere con certezza ceppi con peculiari proprietà metaboliche, rappresentano un ruolo centrale nel settore delle biotecnologie che spesso hanno la necessità di proteggere specifici ceppi e/o di seguirli durante un processo biotecnologico.
- BIOPOLIMERI MICROBICI DI INTERESSE BIOTECNOLOGICO. (Prof. Roberto De Philippis ).
Le ricerche in questo settore sono orientate verso due classi di biopolimeri (esopolisaccaridi e poliidrossialcanoati) prodotti da gruppi microbici diversi. Da una parte, l'interesse è rivolto verso i polisaccaridi esocellulari che vengono prodotti da cianobatteri, microrganismi a fotosintesi ossigenica. I dati attualmente disponibili, riguardanti i polisaccaridi prodotti da più 160 diversi cianobatteri, hanno messo in evidenza che si tratta, nella quasi totalità dei casi, di eteropolisaccaridi complessi a carattere anionico, frequentemente caratterizzati dalla presenza di diversi tipi di gruppi sostituenti, in grado di conferire alle macromolecole carattere idrofilo e/o idrofobo. La grande varietà di caratteristiche riscontrata tra i polisaccaridi cianobatterici rende particolarmente promettente lo sfruttamento biotecnologico dei cianobatteri per produrre polisaccaridi idrosolubili ad alto peso molecolare di interesse applicativo per svariati usi industriali. Recentemente è emersa anche la possibilità che alcuni dei polisaccaridi prodotti da cianobatteri siano dotati di attività antivirale, antitumorale o di stimolo del sistema immunitario.
L'altro campo di ricerca nel settore dei biopolimeri riguarda i poliesteri (poli-idrossialcanoati) sintetizzati ed accumulati intracellularmente dai batteri fotosintetici anossigenici. In questo caso, l'obiettivo è quello di giungere ad uno sfruttamento biotecnologico della fotosintesi microbica per produrre biopolimeri da utilizzare come materiali plastici biodegradabili per varie applicazioni industriali.
L'impiego di microrganismi per la rimozione di metalli pesanti da acque inquinate è ritenuto una interessante alternativa ai metodi fisico-chimici convenzionali. La capacità di chelare i metalli dipende essenzialmente dalla presenza di una elevata densità di cariche negative sulla superficie cellulare; per questo motivo, sembra molto promettente l'impiego di cianobatteri provvisti di un rivestimento polisaccaridico esocellulare di natura anionica per la rimozione dei metalli pesanti. Obiettivo delle attività di ricerca è l'individuazione di ceppi di cianobatteri produttori di esopolisaccaridi dotati delle migliori caratteristiche per agire da agenti chelanti degli ioni metallici presenti in soluzione e lo studio delle condizioni e dei dispositivi migliori per lo sviluppo di sistemi di biorimozione dei metalli pesanti e per il recupero di metalli di valore economico o di metalli preziosi applicabile a reflui industriali.
- ECOFISIOLOGIA DEI MICRORGANISMI PRODUTTORI DI ESOPOLISACCARIDI. (Prof. Roberto De Philippis)
Le ricerche in questo settore sono rivolte allo studio dei microrganismi fotosintetici produttori di esopolisaccaridi negli ambienti naturali, inclusi quelli estremi, con un duplice obiettivo: da un lato, chiarire alcuni aspetti della ecofisiologia e del biochimismo della formazione del materiale esocellulare e del ruolo che esso svolge nel microhabitat in cui vivono i cianobatteri produttori e, dall'altro lato, reperire nuovi ceppi microbici tra i quali individuare eventuali iperproduttori di esopolisaccaridi o produttori di polimeri di interesse applicativo.
Le ricerche in questo settore sono rivolte allo studio dei batteri fotosintetici rossi non sulfurei, gruppo di microrganismi comunemente indicati in letteratura tra i più promettenti per quanto riguarda la produzione fotobiologica di idrogeno. Il loro impiego nella produzione di questo gas presenta infatti alcuni significativi vantaggi rispetto all'utilizzazione di altri gruppi microbici, dal momento che i batteri fotosintetici anossigenici sono caratterizzati da un'alta resa teorica di conversione substrato-idrogeno e, a causa della loro grande versatilità metabolica, sono in grado di produrre idrogeno a partire da molti tipi diversi di substrati organici, ivi incluse acque reflue di origine industriale. Inoltre, l'utilizzo di questi batteri consente di ottenere, insieme all'idrogeno, altri prodotti di interesse applicativo, quali i poliidrossialcanoati, che possono essere utilizzati come materiale termoplastico biodegradabile, pigmenti carotenoidi di origine naturale, biofertilizzanti etc.
- PROGETTAZIONE E REALIZZAZIONE DI FOTOBIOREATTORI PILOTA E INDUSTRIALI (Prof. Mario Tredici, Dr Liliana Rodolfi)
La coltivazione e lo sfruttamento dei microrganismi fotosintetici richiedono la messa a punto di sistemi chiusi (fotobioreattori) in grado di assicurare adeguata protezione dalla contaminazione, garantire uno stretto controllo dei parametri colturali e conseguire elevate produttività. Vengono progettate e sperimentate nuove tipologie di fotobioreattori ad elevato rapporto superficie/volume e di dimensioni fino a 1-2 m3, con l'obiettivo principale di ottenere elevate conversioni dell'energia solare in sistemi idonei a costituire il modulo base di impianti industriali. Uno dei sistemi ideati è stato utilizzato per ricerche sulla foto-produzione di idrogeno presso la University of Hawaii at Manoa (USA). Nel 2004 un nuovo disegno di reattore a pannello verticale GWP) è stato oggetto di brevetto europeo (WO 2004/074423 A2) ed è commercializzato da F&M S.r.l. Impianti basati sul GWP e successive modifiche che ne riducono il costo (WO 2011/013104)sono operativi presso Necton SA (Portogallo), Eni SpA (Gela), Archimede Ricerche (Camporosso, Imperia), Bioscan SA (Antofagasta, Cile), ENEL Ingegneria e Innovazione SpA (Brindisi). Le ricerche condotte in collaborazione con F&M S.r.l. e con l'Istituto per lo Studio degli Ecosistemi (ISE) del CNR.
Le ricerche prevedono la selezione di ceppi algali e la messa a punto di tecniche di coltura in fotobioreattori e/o vasche all'aperto utilizzando gas di combustione come fonte di carbonio ed acque reflue come fonte di nutrienti. Le finalità della ricerca sono la depurazione dei fumi dai principali contaminanti presenti (CO2, SO2 e NOx), il riciclo di nutrienti e l'ottenimento di biomasse algali ricche in lipidi o carboidrati idonee alla produzione di biodiesel o bioetanolo. Per quanto riguarda la produzione di biodiesel, sono in corso tre diversi progetti europei (AquaFUELs, GIAVAP e BIOFAT) e un progetto nazionale (MAMBO). AquaFUELs è teso a stabilire lo stato dell'arte nella produzione di biofuels e a tracciare linee guida nel settore dei biocarburanti da macro- e microalghe. GIAVAP ha come obiettivo lo studio della sintesi di lipidi e molecole d'interesse industriale sia con tecniche tradizionali che di ingegneria genetica. BIOFAT prevede l'allestimento di un impianto pilota di 10 ha per verificare la fattibilità della produzione di biodiesel su scala industriale.
La ricerca prevede lo studio della diversità algale di campioni di acqua e suolo provenienti, prevalentemente, da habitat diversi di paesi caldi e ad elevata insolazione. Lo scopo è l'individuazione, mediante colture di arricchimento e prove di crescita in laboratorio, di ceppi dotati di buone capacità di crescita in coltura massiva al fine di una loro applicazione industriale. La ricerca è condotta in collaborazione con Roquette Freres (Lestrem, Francia).
- MOLECOLE BIOATTIVE DA CIANOBATTERI E MICROALGHE PER APPLICAZIONI NEI SETTORI AGRO-INDUSTRIALE, FARMACEUTICO E COSMETICO (Prof. Mario Tredici)
Questa linea di ricerca ha come scopo lo studio di cianobatteri e microalghe dotati di attività biologica, sia di tipo inibitorio (battericida, fungicida, antitumorale, insetticida, ecc.) che stimolante (fito-ormonale). Le potenziali applicazioni di queste molecole vanno dal campo agrario (biopesticidi e fitoregolatori) a quello farmaceutico (antibiotici, antitumorali), a quello cosmetico (antiossidanti, antinfiammatori, ecc.). Alcune delle ricerche sono condotte in collaborazione con Bluegreen Biotech S.r.l.
Alcuni ceppi della collezione di microalghe del Dipartimento e di F&M S.r.l. sono stati selezionati per le loro caratteristiche di crescita e l'elevato tenore in acidi grassi polinsaturi e carotenoidi d'interesse farmacologico ed alimentare. Si studiano i parametri che influenzano la produttività e la sintesi di tali composti in coltura sia di laboratorio che all'aperto, con la finalità di mettere a punto tecniche di produzione di un "olio d'alga" ricco in acidi grassi polinsaturi della serie omega 3 e/o carotenoidi per uso alimentare, farmaceutico e cosmetico. Alcuni ceppi ricchi in carotenoidi (luteina, astaxantina, ecc.) sono valutati come integratori di mangimi.
La ricerca prevede la coltivazione in fotobioreattori di microalghe marine selezionate per valore nutrizionale e produttività, e la messa a punto di tecniche di conservazione al fine di ottenere biomasse da impiegare nell'allevamento di fasi larvali di pesci (orata, spigola) e giovanili o adulti di molluschi (ostriche, vongole, polpo). Le biomasse di ceppi selezionati, sia marini che d'acqua dolce, sono inoltre valutate quanto alla loro attività antibiotica, al fine di un loro impiego nel controllo delle principali patologie batteriche (Vibrio, Aeromonas, Pseudomonas, ecc.) o fungine degli animali allevati in sostituzione dei composti di sintesi. Biomasse algali sono anche valutate come sostituti della farina di pesce. Le ricerche sono condotte in collaborazioni con l'ISE di Firenze, con la Sezione di Scienze Zootecniche del Dipartimento e con aziende italiane del settore .
Nella produzione di alimenti fermentati, i microrganismi svolgono un ruolo di primo piano nel definire le proprietà chimico-fisiche e sensoriali del prodotto finale. La conoscenza della ecologia microbica, a livello di specie e di ceppo, è un elemento di fondamentale importanza per esercitare un efficace controllo del processo produttivo. Le ricerche in questo settore includono lo studio della evoluzione delle specie e dei ceppi microbici presenti in alimenti fermentati tradizionali e tipici, in tutte le fasi della loro produzione. In particolare, con la finalità di ottimizzare i processi industriali, vengono studiati diversi prodotti da forno ottenuti per fermentazione con impasti acidiNella produzione di alimenti fermentati, i microrganismi svolgono un ruolo di primo piano nel definire le proprietà chimico-fisiche e sensoriali del prodotto finale. La conoscenza della ecologia microbica, a livello di specie e di ceppo, è un elemento di fondamentale importanza per esercitare un efficace controllo del processo produttivo. Le ricerche in questo settore includono lo studio della evoluzione delle specie e dei ceppi microbici presenti in alimenti fermentati tradizionali e tipici, in tutte le fasi della loro produzione. In particolare, con la finalità di ottimizzare i processi industriali, vengono studiati diversi prodotti da forno ottenuti per fermentazione con impasti acidi.
La presenza di specie o ceppi microbici con capacità metaboliche diverse nella stessa matrice alimentare provoca la formazione di una serie di fenomeni di interazione che possono andare dalla competizione, per certi substrati di crescita, alla metabiosi, un fenomeno di "simbiosi microbica" che si verifica quando il prodotto rilasciato da un microrganismo viene utilizzato come substrato da un altro. La conoscenza di queste interazioni è determinante per poter gestire adeguatamente i processi fermentativi e per evitare la possibile formazione di sostanze indesiderate. Le ricerche in questo ambito, quindi, prevedono l'isolamento e l'identificazione di microrganismi presenti nelle diverse matrici alimentari e lo studio, in sistemi-modello, delle possibili interazioni metaboliche tra specie o ceppi microbici diversi. In relazione alle possibili interazioni tra microrganismi e matrice, vengono condotti studi sulla produzione di ammine biogene in salumi ottenuti da razze suine autoctone.
L'impiego di starter microbici nell'industria alimentare è oggi sempre più frequente perché molto spesso risulta essere un sistema soddisfacente per l'ottenimento di prodotti fermentati con caratteristiche desiderate e controllabili. Inoltre, la possibilità per le singole aziende di disporre di microrganismi provenienti dalle loro realtà produttive da utilizzare come starter viene attualmente ritenuta una strategia idonea per contribuire alla tutela della tipicità dei prodotti. Le ricerche in tale ambito prevedono quindi l'isolamento e l'identificazione di alcuni ceppi microbici e la loro caratterizzazione fisiologica, biochimica e tecnologica al fine di verificare la reale possibilità di un loro utilizzo come starter in specifici processi produttivi. Inoltre, vengono studiate anche proprietà funzionali di lieviti e batteri da impiegare come colture starter singole o in associazione.
Le metodiche rapide per la quantificazione e l'identificazione di microrganismi sono strumenti di fondamentale importanza per il controllo della qualità e della sicurezza degli alimenti, in particolare di quelli ottenuti attraverso processi fermentativi. Pertanto, le ricerche condotte nel presente settore sono volte alla messa a punto di metodiche molecolari che possano fornire, in tempi brevi, informazioni sulla quantità e sulla tipologia dei microrganismi presenti durante le varie fasi produttive di un alimento, in modo da poter attuare strategie adeguate per ottenere prodotti qualitativamente migliori.
Varie specie di lieviti e di batteri sono coinvolte in processi trasformativi, virtuosi ed alterativi, nell'industria alimentare. Generalmente, ogni processo è caratterizzato da un'elevata biodiversità inter-ed intra-specifica. La conoscenza di questi aspetti e la possibilità di disporre di tecniche adeguate a rilevare tale biodiversità sono di fondamentale importanza per la valorizzazione dei prodotti tipici che sono così numerosi nella tradizione italiana. Pertanto, le ricerche in questo settore sono volte, da un lato, alla messa a punto di approcci metodologici (genotipici e fenotipici) necessari per valutare il grado di biodiversità microbica e, dall'altro, ad individuare i fattori ambientali che possono influire su di essa.
Nel settore vitivinicolo, la fermentazione alcolica spontanea, ovvero senza l'inoculo di ceppi commerciali di Saccharomyces cerevisiae, sta diventando una pratica diffusa soprattutto tra i produttori di vini di alta qualità che la scelgono con la finalità di tutelare la tipicità del loro vino. Tuttavia, per sua stessa natura, la vinificazione spontanea corre il rischio di essere condotta, almeno in parte, da specie o ceppi indesiderati. La conoscenza delle dinamiche delle singole specie microbiche nelle fermentazioni naturali diventa, pertanto, indispensabile al fine di tenere sotto controllo il processo. Le ricerche in questo settore sono volte ad approfondire tali dinamiche e si avvalgono di metodiche rapide per il conteggio e l'identificazione dei microrganismi e di analisi chimiche per il monitoraggio di substrati e prodotti del metabolismo microbico, con il fine di estrapolare regole generali da utilizzare in senso predittivo per la gestione del processo.
- FISIOLOGIA E BIOCHIMICA DI OENOCOCCUS OENI PER IL CONTROLLO DELLA FERMENTAZIONE MALOLATTICA IN VINO (Prof. Massimo Vincenzini, Prof. Lisa Granchi)
L'impiego di colture batteriche selezionate, appartenenti alla specie Oenococcus oeni, come starter per la fermentazione malolattica nel vino è la risposta biotecnologica più efficace per operare il controllo di questo processo che, se si verifica spontaneamente, è caratterizzato da grande incertezza di avvio, decorso ed esito finale. L'elevata biodiversità fenotipica riscontrata all'interno di questa specie batterica, ha reso necessaria una attenta selezione dei ceppi da impiegare come starter considerando, oltre alla loro capacità malolattica, l'attività metabolica a carico di altri substrati con formazione di composti che influenzano la qualità del vino. La ricerca in questo settore ha la finalità di studiare i fattori che influenzano lo sviluppo e la sopravvivenza dei batteri malolattici in vino e di valutare, all'interno della specie O. oeni, le caratteristiche fenotipiche che influenzano la qualità del vino, sia sotto il profilo organolettico sia sotto quello salutistico, con particolare riguardo alla produzione di ammine biogene.
Le ricerche in questo settore sono orientate allo studio delle caratteristiche fisiologiche e biochimiche di ceppi di Saccharomyces cerevisiae da utilizzare per la produzione industriale di lievito per panificazione. In particolare, vengono attualmente studiate le modificazioni che avvengono a livello della membrana citoplasmatica di cellule di lievito sottoposte a trattamento di disidratazione; inoltre, vengono saggiate condizioni di crescita in grado di migliorare la resistenza delle cellule di lievito allo stress da disidratazione. Vengono inoltre caratterizzati ceppi di S. cerevisiae osmotolleranti e viene studiato come indurre osmotolleranza in ceppi normalmente non osmotolleranti.
