biotecnologie, bioinformatica e produzione di idrogeno rita casadio gruppo di biocomputing centro...
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Biotecnologie, Bioinformatica e
Produzione di Idrogeno
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
?
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/
Stazione di servizio all‘Idrogeno
Metodi utilizzati nel mondo per produrre
idrogenoLa sfida per il 30 millennio: abbassare i costi di produzione
GreggioCarbone
Gas naturale
Reformin
Reforming
Reforming
LegnoRifiuti organici
Biomassa
Reforming
Reforming
Reforming
Nucleare
Nucleare Centrale elettrica
Centrale elettrica
SolareIdrogeno
EolicaIdroelettricaGeotermale
Generatore
GeneratoreGeneratore
Generatore
ElettrolisiIdrogeno
H2
Biotecnologie
Negli USA il 40% della energia rinnovabile si ricava dalla Biomassa (circa 1012 KWh nel 2004)
Piattaforma Termochimica
•Pirolisi•Gasificazione
ProdottiCombustibili, Chimici, Materiali, Calore e Potenza
Piattaforma dello zucchero•Idrolisi enzimatica•Prodotti della lignina
Biomassa•Raccolta del residuo•Coltivazioni a fini energetici
Bioraffinerie
Intermedi Gas e Liquidi
Intermedi Zucchero e Lignina
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
Resa max:4mol H2/ mol di glucosio
Questi processi sono noti da 60 anni!Renderli produttivi su larga scala e’ un problema e comunque i batteri necessitano di substrati
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 inibirloAllora?
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
Update: July 2005
Archaea:
Bacteria:
23 species
230 species
21 species / 255 Chromosomes
Eukaryotae:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
The Data Bases of Biological Sequences and Structures
>BGAL_SULSO BETA-GALACTOSIDASE Sulfolobus solfataricus.MYSFPNSFRFGWSQAGFQSEMGTPGSEDPNTDWYKWVHDPENMAAGLVSGDLPENGPGYWGNYKTFHDNAQKMGLKIARLNVEWSRIFPNPLPRPQNFDESKQDVTEVEINENELKRLDEYANKDALNHYREIFKDLKSRGLYFILNMYHWPLPLWLHDPIRVRRGDFTGPSGWLSTRTVYEFARFSAYIAWKFDDLVDEYSTMNEPNVVGGLGYVGVKSGFPPGYLSFELSRRHMYNIIQAHARAYDGIKSVSKKPVGIIYANSSFQPLTDKDMEAVEMAENDNRWWFFDAIIRGEITRGNEKIVRDDLKGRLDWIGVNYYTRTVVKRTEKGYVSLGGYGHGCERNSVSLAGLPTSDFGWEFFPEGLYDVLTKYWNRYHLYMYVTENGIADDADYQRPYYLVSHVYQVHRAINSGADVRGYLHWSLADNYEWASGFSMRFGLLKVDYNTKRLYWRPSALVYREIATNGAITDEIEHLNSVPPVKPLRH
EMBL: 45,236,251 sequences
49,398,852,122 nucleotides
SwissProt: 186,882 sequences 67,622,695 residues
PDB: 31,721 structures membrane proteins 1%
NR: 2,664,187 sequences 908,507,914 residues
Update: July 2005
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
Idrogenasi di Clostridium pasteurianum
Nitrogenasi diClostridium pasteurianum
Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente
2H+ + 2e- H2
Le proteine importanti per la produzione di idrogeno: Idrogenasi e Nitrogenasi
http://gcep.stanford.edu/research/factsheets/biohydrogen_generation.html
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno in Clostridium pasteurianum
Codice PDB: 1FEH
2H+ + 2ferredoxin rid 6 H2 + 2ferredoxin ox
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno
Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno
Peters et al. SCIENCE VOL 282 4 DECEMBER 1998
Struttura della Idrogenasi di Clostridium pasteurianum
Produzione di Idrogeno nitrogenasi-dipendente2H+ + 2e- H2 4ATP 4(ADP+Pi)/
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno in Azotobacter vinelandii
Codice PDB: 1N2C
L’enzima nitrogenasi catalizza la riduzione di protoni in assenza/presenza di N2 (ad es. atmosfera di Ar),
sottoprodotto della fissazione di Azoto
http://www.cea.fr/gb/publications/Clefs44/an-clefs44/clefs4423a.html
Fotosintesi e processo di produzione dell’ Idrogeno nell’alga Chlamydomonas reinhardtii
2H+ + 2ferredoxin rid 6 H2 + 2ferredoxin ox
Produzione di Idrogeno idrogenasi-dipendente
Idrogenasi solo Fe: riduce l’idrogeno
Idrogenasi Ni-Fe: ossida l’idrogeno
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-cgi-new/index.cgi; template 1FEH, IdSeq=43%)
*
http://www.ncbi.nlm.nih.gov
Confronto tra genomi
L’era genomica e le banche dati: 285 organismi sequenziati
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-proteobacteria26: Helicobacter pylori, species, e-proteobacteria 27: Methanothermobacter thermautotrophicus str. Delta H, euryarchaeotes
Quanti genomi di batteri contengono idrogenasi? La ricerca in banche dati peridentificare altri possibili bio-produttori di idrogeno
•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
Ivan
Alberto
Ludovi
ca
Rita LisaPi
er L
uigi
Paola
Piero
Emidio
Remo
Gia
nluc
a
Ligando HC1 Formula: C5H4O7S2Fe2
Codice PDB 1FEHClostridium pasteurianum
Il centro funzionale della molecola (H-cluster)
Hca - 3-hydroxy-3-carboxy-adipic acid Formula: C7H10O7
Cfm - Fe-Mo-S cluster Formula: Fe7MoS9
Codice PDB 1N2C
Nitrogenasi di Azotobacter vinelandii:il ligando HCA-CFM
Nickel-iron hydrogenase, large/ small subunit [56764]/[56769]
Desulfovibrio gigas [56765] (2)
Desulfovibrio vulgaris [56766] (11)
Desulfovibrio fructosovorans [56767] (1)
Desulfomicrobium baculatum [56768] (1)
Desulfovibrio desulfuricans [64509] (1)
Fe-only hydrogenase, catalytic domain [53922]
Clostridium pasteurianum [53923] (3)
Desulfovibrio desulfuricans [53925] (1)
Totale 16 PDB
Totale 4 PDB
http://scop.berkeley.edu/