Biotecnologie Bioinformatica e Produzione di Idrogeno Rita Casadio
Biotecnologie, Bioinformatica e Produzione di Idrogeno Rita Casadio Gruppo di Biocomputing Centro Interdipartimentale per la Ricerca Biotecnologica/Dipartmento di Biologia Università di Bologna
Fonti di Energia Rinnovabile: (Fonti di energia che non dipendono da combustibili le cui riserve sono limitate) • energia idroelettrica • energia da biomassa (che non esclude il pericolo dell’effetto serra) • energia solare • energia da maree • energia dalle onde • energia eolica • energia da biomassa • L’idrogeno
Perche’ l’Idrogeno? • È l’elemento più semplice • È l’elemento più abbondante nell’universo • È una fonte di energia “pulita” • Durante la combustione libera grandi quantita’ di energia per unità di peso (circa 36 k. Wh per kg) • Può essere prodotto in modi diversi utilizzando una varietà di risorse: carbone, petrolio, gas naturale, biomassa e acqua • È altamente infiammabile
L’energia “pulita”: una cella a Idrogeno Prodotti di combustione H 2 O 2
? Vellone et al, Giugno 2005 La Piattaforma Tecnologica Europea per Idrogeno e Celle a Combustibile: il primo esempio di struttura programmatica
Stazione di servizio all‘Idrogeno 21 settembre 2004: è stata inaugurato la prima stazione di servizio all'idrogeno in Italia. E' prevista la sua collocazione definitiva in un area che è quella antistante l'impianto dell'AEM (Milano) http: //www. h 2 it. org/
Metodi utilizzati nel mondo per produrre idrogeno La sfida per il 30 millennio: abbassare i costi di produzione Greggio Carbone Gas naturale Reforming Nucleare Centrale elettrica Solare Idrogeno Eolica Idroelettrica Geotermale Generatore Centrale elettrica Legno Rifiuti organici Biomassa Elettrolisi Biotecnologie Reforming Idrogeno H 2
Negli USA il 40% della energia rinnovabile si ricava dalla Biomassa (circa 1012 KWh nel 2004) Piattaforma dello zucchero • Idrolisi enzimatica • Prodotti della lignina Biomassa • Raccolta del residuo • Coltivazioni a fini energetici Intermedi Zucchero e Lignina Prodotti Combustibili, Chimici, Materiali, Calore e Potenza Piattaforma Termochimica • Pirolisi • Gasificazione Bioraffinerie Intermedi Gas e Liquidi
Problemi aperti: • Efficienza del processo • La produzione di Idrogeno dalla biomassa libera CO 2
La sfida delle Biotecnologie: rendere le piante ed i batteri capaci di produrre idrogeno in modo efficiente e controllato Come?
I batteri fotosintetici possono produrre idrogeno sia al buio che alla luce in determinate condizioni e utlizzando substrati diversi…. H 2 Composti organici o inorganici Questi processi sono noti da 60 anni! Renderli produttivi su larga scala e’ un problema e comunque i batteri necessitano di substrati Resa max: 4 mol H 2/ mol di glucosio
Le alghe possono produrre idrogeno utilizzando solo il sole e l’acqua…. Clamydomonas reinhardtii Il processo ha una resa scarsa: la presenza di ossigeno tende ad inibirlo Allora?
Bioinformatica e Nanobiotecnologia: Conoscendo la struttura degli enzimi e’ possibile riprodurne le funzioni in laboratorio e studiarne l’ingegnerizzazione in altri organismi:
The “omic” era Archaea: 23 species Bacteria: 230 species Eukaryotae: 21 species / 255 Chromosomes Update: July 2005 http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/
The Data Bases of Biological Sequences and Structures EMBL: >BGAL_SULSO BETA-GALACTOSIDASE Sulfolobus solfataricus. MYSFPNSFRFGWSQAGFQSEMGTPGSEDPNTDWYKWVHDPENMAAGLVSG DLPENGPGYWGNYKTFHDNAQKMGLKIARLNVEWSRIFPNPLPRPQNFDE SKQDVTEVEINENELKRLDEYANKDALNHYREIFKDLKSRGLYFILNMYH WPLPLWLHDPIRVRRGDFTGPSGWLSTRTVYEFARFSAYIAWKFDDLVDE YSTMNEPNVVGGLGYVGVKSGFPPGYLSFELSRRHMYNIIQAHARAYDGI KSVSKKPVGIIYANSSFQPLTDKDMEAVEMAENDNRWWFFDAIIRGEITR GNEKIVRDDLKGRLDWIGVNYYTRTVVKRTEKGYVSLGGYGHGCERNSVS LAGLPTSDFGWEFFPEGLYDVLTKYWNRYHLYMYVTENGIADDADYQRPY YLVSHVYQVHRAINSGADVRGYLHWSLADNYEWASGFSMRFGLLKVDYNT KRLYWRPSALVYREIATNGAITDEIEHLNSVPPVKPLRH NR: 45, 236, 251 sequences 49, 398, 852, 122 nucleotides 2, 664, 187 sequences 908, 507, 914 residues Swiss. Prot: PDB: 186, 882 sequences 67, 622, 695 residues 31, 721 structures membrane proteins 1% Update: July 2005
Le proteine importanti per la produzione di idrogeno: Idrogenasi e Nitrogenasi 2 H+ + 2 e- H 2 Idrogenasi di Clostridium pasteurianum Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente Nitrogenasi di Clostridium pasteurianum Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno in Clostridium pasteurianum Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente 2 H+ + 2 ferredoxin rid 6 H 2 + 2 ferredoxin ox Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno http: //gcep. stanford. edu/research/factsheets/biohydrogen_generation. html Codice PDB: 1 FEH
Struttura della Idrogenasi di Clostridium pasteurianum Peters et al. SCIENCE VOL 282 4 DECEMBER 1998
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno in Azotobacter vinelandii L’enzima nitrogenasi catalizza la riduzione di protoni in assenza/presenza di N 2 (ad es. atmosfera di Ar), sottoprodotto della fissazione di Azoto Codice PDB: 1 N 2 C Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente 2 H+ + 2 e- ® H 2 / 4 ATP 4(ADP+Pi)
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno nell’alga Chlamydomonas reinhardtii * Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente 2 H+ + 2 ferredoxin rid 6 H 2 + 2 ferredoxin ox Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno http: //www. cea. fr/gb/publications/Clefs 44/an-clefs 44/clefs 4423 a. html Ricostruzione della struttura 3 D a partire dalla sequenza: Modelling Fe-idrogenasi di Chlamydomonas reinhardtii costruita su omologa di Clostridium pasteurianum (http: //modbase. compbio. ucsf. edu/modbase-cginew/index. cgi; template 1 FEH, Id. Seq=43%)
L’era genomica e le banche dati: 285 organismi sequenziati Confronto tra genomi http: //www. ncbi. nlm. nih. gov
Quanti genomi di batteri contengono idrogenasi? La ricerca in banche dati per identificare altri possibili bio-produttori di idrogeno 1: Geobacter sulfurreducens PCA, d-proteobacteria 2: Azotobacter chroococcum, species, g-proteobacteria 3: Rhodococcus opacus, species, high GC Gram+ 4: Methanosarcina mazei, species, euryarchaeotes 5: Cupriavidus necator, species, b-proteobacteria 6: Anabaena sp. , species, cyanobacteria 8: Methanococcus voltae, species, euryarchaeotes 9: Methylococcus capsulatus str. Bath, g-proteobacteria 10: Archaeoglobus profundus, species, euryarchaeotes 11: Escherichia coli, species, enterobacteria 12: Carboxydothermus hydrogenoformans, species, eubacteria 13: Aquifex aeolicus, species, aquificales 14: Methanocaldococcus jannaschii, species, euryarchaeotes 15: Synechocystis sp. PCC 6803, species, cyanobacteria 16: Rhodospirillum rubrum, species, a-proteobacteria 17: Desulfomicrobium baculatum, species, d-proteobacteria 18: Methanosarcina barkeri, species, euryarchaeotes 19: Wolinella succinogenes, species, e-proteobacteria 20: Desulfovibrio fructosovorans, species, d-proteobacteria 21: Archaeoglobus fulgidus, species, euryarchaeotes 22: Desulfovibrio vulgaris (strain Miyazaki), d-proteobacteria 23: Rhodobacter capsulatus, species, a-proteobacteria 24: Campylobacter jejuni, species, e-proteobacteria 25: Desulfomicrobium baculatum (strain Norway 4), d-proteobacteria 26: Helicobacter pylori, species, e-proteobacteria 27: Methanothermobacter thermautotrophicus str. Delta H, euryarchaeotes • E’ posibile integrare enzimi di batteri in piante o viceversa? • E’ possibile costruire un organismo che produca idrogeno in modo controllato?
J Craig Venter Science Foundation: Il ruolo della nanobiotecnologia Trovare il numero minimo di geni necessari per costruire un batterio fotosintetico che produca idrogeno e sia in grado di autodistruggersi al di fuori del laboratorio: la nanofabbrica per l’ idrogeno
The Biocomputing Group of the University of Bologna ro e i P nlu Gia di i m Ivan Alberto uig r. L Ludov ica i E o Rita Lisa Pie ca o m Re Paola
Il centro funzionale della molecola (H-cluster) Ligando HC 1 Formula: C 5 H 4 O 7 S 2 Fe 2 Codice PDB 1 FEH Clostridium pasteurianum
Nitrogenasi di Azotobacter vinelandii: il ligando HCA-CFM Hca - 3 -hydroxy-3 -carboxy-adipic acid Formula: C 7 H 10 O 7 Cfm - Fe-Mo-S cluster Formula: Fe 7 Mo. S 9 Codice PDB 1 N 2 C
Nickel-iron hydrogenase, large/ small subunit [56764]/[56769] Desulfovibrio gigas [56765] (2) Desulfovibrio vulgaris [56766] (11) Desulfovibrio fructosovorans [56767] (1) Totale 16 PDB Desulfomicrobium baculatum [56768] (1) Desulfovibrio desulfuricans [64509] (1) Fe-only hydrogenase, catalytic domain [53922] Clostridium pasteurianum [53923] (3) Desulfovibrio desulfuricans [53925] (1) http: //scop. berkeley. edu/ Totale 4 PDB
- Slides: 28