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Biotecnologie, Bioinformatica e Produzione di Idrogeno Rita Casadio Gruppo di Biocomputing Centro Interdipartimentale per la Ricerca Biotecnologica/Dipartmento di Biologia Università di Bologna

Biotecnologie, Bioinformatica e Produzione di Idrogeno Rita Casadio Gruppo di Biocomputing Centro Interdipartimentale per la Ricerca Biotecnologica/Dipartmento

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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

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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

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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

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L’energia “pulita”: una cella a Idrogeno

Prodotti di combustione

H2

O2

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Vellone et al, Giugno 2005 La Piattaforma Tecnologica Europea per Idrogeno e Celle a Combustibile: il primo esempio di struttura programmatica

?

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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

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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

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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

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Problemi aperti:

•Efficienza del processo

•La produzione di Idrogeno dalla biomassa libera CO2

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La sfida delle Biotecnologie: rendere le piante ed i batteri capaci di produrre idrogeno in modo efficiente e controllato

Come?

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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

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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?

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Bioinformatica e Nanobiotecnologia:

Conoscendo la struttura degli enzimi e’ possibile riprodurne le funzioni in laboratorio e studiarne l’ingegnerizzazione in altri organismi:

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The “omic” era

Update: July 2005

Archaea:

Bacteria:

23 species

230 species

21 species / 255 Chromosomes

Eukaryotae:

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/

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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

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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

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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

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Peters et al. SCIENCE VOL 282 4 DECEMBER 1998

Struttura della Idrogenasi di Clostridium pasteurianum

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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

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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%)

*

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http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Confronto tra genomi

L’era genomica e le banche dati: 285 organismi sequenziati

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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?

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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

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The Biocomputing Group of the University of Bologna

Ivan

Alberto

Ludovi

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Rita LisaPi

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Emidio

Remo

Gia

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Ligando HC1 Formula: C5H4O7S2Fe2

Codice PDB 1FEHClostridium pasteurianum

Il centro funzionale della molecola (H-cluster)

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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

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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/