Diapositiva 1 - Università di Bologna

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 kWh 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
H2
O2
?
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.h2it.org/
Metodi utilizzati nel mondo per
produrre idrogeno
La sfida per il 30 millennio:
abbassare i costi di produzione
Greggio
Carbone
Gas naturale
Reformin
Reforming
Reforming
Nucleare
Nucleare
Centrale elettrica
Solare
Idrogeno
Eolica
Idroelettrica
Geotermale
Generatore
Generatore
Generatore
Generatore
Centrale elettrica
Legno
Rifiuti organici
Biomassa
Idrogeno
Elettrolisi
Biotecnologie
Reforming
Reforming
Reforming
H2
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 CO2
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….
H2
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:4mol H2/ 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
SwissProt:
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
2H+ + 2e-
Idrogenasi di
Clostridium pasteurianum
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
H2
Nitrogenasi di
Clostridium pasteurianum
Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno in
Clostridium pasteurianum
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
2H+ + 2ferredoxin rid
6 H2 + 2ferredoxin ox
Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno
Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno
http://gcep.stanford.edu/research/factsheets/biohydrogen_generation.html
Codice PDB: 1FEH
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 N2 (ad es. atmosfera di Ar),
sottoprodotto della fissazione di Azoto
Codice PDB: 1N2C
Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente
2H+ + 2e-  H2
/ 4ATP
4(ADP+Pi)
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno
nell’alga Chlamydomonas reinhardtii
*
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
2H+ + 2ferredoxin rid
6 H2 + 2ferredoxin ox
Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno
Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno
http://www.cea.fr/gb/publications/Clefs44/an-clefs44/clefs4423a.html
Ricostruzione della struttura 3D 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 1FEH, IdSeq=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
Paola
Ivan
Alberto
Rita
Lisa
Il centro funzionale della molecola (H-cluster)
Ligando HC1
Formula: C5H4O7S2Fe2
Codice PDB 1FEH
Clostridium pasteurianum
Nitrogenasi di Azotobacter vinelandii:
il ligando HCA-CFM
Hca - 3-hydroxy-3-carboxy-adipic acid Formula: C7H10O7
Cfm - Fe-Mo-S cluster Formula: Fe7MoS9
Codice PDB 1N2C
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