Dal vino di Noè alla chimica verde

di Antonio Trincone. Istituto di Chimica Biomolecolare, Consiglio Nazionale delle Ricerche, Pozzuoli.

Dal vino di Noè…

So di qualche contadino che all’appellativo “biotecnologico” riferito al vino di Noè perlomeno riderebbe di me e non solo in relazione agli antichi metodi di conservazione della bevanda ma proprio relativamente al suo processo produttivo. Però, che le biotecnologie affondino le loro radici più o meno profondamente nel nostro passato è cosa nota e indiscutibile. La fermentazione dello zucchero ad etanolo è un bioprocesso che era noto ai Babilonesi e per più di settemila anni i microorganismi sono stati alla base della produzione di pane, yoghurt, formaggi e aceto. Del tutto inconsapevolmente per i nostri antenati, questi bioprocessi erano attivati e sostenuti in condizioni ideali per la fermentazione che interessava, a scapito di altri microorganismi in competizione. Il consumo dell’alcol nell’antico Egitto era già diffuso con la presenza di leggi contro l’abuso che regolavano la vendita di tale prodotto. L’uso di bevande alcoliche negli aspetti conviviali era più che noto, basti citare per la Grecia e a Roma la mitologia di Dioniso e di Bacco ai quali erano dedicate apposite feste religiose. Nell’Iliade e nell’Odissea, poemi scritti circa sette secoli prima di Cristo ci sono riferimenti all’uso del caglio per la produzione del formaggio e il lievito madre è apparso in Europa all’incirca nello stesso periodo.

Ma nessuno capiva cosa accadeva.

A volerlo comprendere per primi furono i commercianti di vino e birra del diciannovesimo secolo. Erano alla ricerca di un modo per evitare la degradazione dei loro prodotti quando questi venivano trasportati per lunghe distanze. Del problema si interessò Louis Pasteur che scoprì che era il lievito a sostenere la fermentazione e che il deterioramento era dovuto ad altri microorganismi presenti che convertivano l’etanolo ad aceto. E’ a queste ricerche che si fa risalire l’interesse di Pasteur per la microbiologia. Lo scienziato era convinto che l’azione chimica del processo di fermentazione fosse una caratteristica particolare dell’organismo nel mosto. Ci furono dispute con altri scienziati dell’epoca, in particolare con Justus von Liebig il quale pensava che il processo non era connesso con gli organismi viventi ma che la fermentazione non fosse altro che un processo di natura chimica. In un certo senso i due scienziati avevano ragione entrambi ma erano già scomparsi prima della fine della disputa quando, nel 1897, i fratelli Buchner scoprirono che l’estratto del lievito, senza nessun organismo vivente presente, era capace di convertire il glucosio ad etanolo e anidride carbonica. Fu William Kühne che usò per la prima volta la parola “enzima” per gli agenti responsabili di tali reazioni. Benchè chiarificatrici di alcuni aspetti, tali sistematizzazioni concettuali e l’uso di nuovi termini non aiutavano molto: la parola enzima significa solo letteralmente, dal greco, all’interno del lievito. Ad ogni modo, benchè la disputa con Liebig costò a Pasteur il mancato riconoscimento delle sue ricerche in vita, l’impatto di tali studi sull’industrializzazione dei processi fermentativi fu elevato e portò ad una migliore comprensione degli aspetti biologici alla base di tali processi.

Anche un altro scienziato, Takamine, stava sviluppando un processo fermentativo per la produzione di enzimi dal fungo Aspergillus oryzae; il suo prodotto era noto come Takadiastase (si tratta di una miscela di amilasi e di altri enzimi glicolitici). Il prodotto era diffuso nell’America degli anni ‘50 e può essere ancora acquistato come aiuto per la digestione in alcuni paesi orientali. Jokichi Takamine era un chimico giapponese; durante alcuni viaggi di lavoro a New Orleans conobbe la sua futura moglie americana stabilendosi negli Stati Uniti. La sua vita fu dedicata alla ricerca con importanti scoperte che lo hanno reso uno dei padri della biotecnologia. Takamine ha tra l’altro inventato e brevettato un metodo per la cristallizzazione dell’adrenalina oltre ad altre importanti scoperte nel campo agro-biotecnologico. E’ morto a New York nel 1922 all’età di 67 anni. Ed è proprio all’inizio del ventesimo secolo che la parola “biotecnologie” apparve per la prima volta nello Yorkshire. A Leeds fu creato un ufficio, il “Bureau of Biotechnology” che già a partire dal 1899 forniva consulenze in chimica e microbiologia alle industrie, per gli aspetti fermentativi dei processi dell’epoca.

Dal 1940 al 1960 gli sviluppi delle biotecnologie furono molto strettamente connessi all’industria farmaceutica, a parte aspetti interessanti di alcuni processi biotecnologici durante il ventesimo secolo legati alle due guerre. Il primo ceppo di Penicillium produceva soltanto 2 milligrammi di penicillina per litro di coltura. Il confronto con la stessa misura odierna (20 grammi/litro) è chiarificatore degli sviluppi più di ogni altro commento.

La definizione delle biotecnologie: “applicazioni di natura tecnologica che si servono dei sistemi biologici, degli organismi viventi o di derivati di questi per produrre o modificare prodotti o processi per un fine specifico” ruota intorno ad un punto centrale poco evidente ai non addetti ai lavori, gli enzimi. Gli enzimi sono i catalizzatori biologici di natura proteica che rendono possibile la vita in tutti gli organismi viventi. Gli enzimi sono state le prime biomolecole ad essere studiate nei primordiali sviluppi della chimica biologica del novecento, lasciando il posto ai componenti e alla struttura del DNA a partire dalla seconda metà del secolo e alla complessità del mondo dei carboidrati di oggi. Accanto agli studi biochimici dei processi enzimatici del novecento, nei laboratori di chimica organica i successi della sintesi chimica permettevano la produzione di una serie di sostanze prima sconosciute e la conferma della struttura delle sostanze naturali scoperte. La richiesta di tali prodotti puri dal punto di vista stereochimico per l’analisi precisa dell’influenza che la disposizione degli atomi in una molecola apporta alle caratteristiche chimiche e all’attività biologica era una delle difficoltà cui i chimici non riuscivano pienamente a far fronte. La creazione di tali molecole in maniera selettiva è molto facilitata con l’utilizzo degli enzimi al posto dei catalizzatori inorganici, in uso nelle reazioni chimiche. A tale richiesta di prodotti definiti strutturalmente potevano pertanto far fronte i catalizzatori biologici e la biocatalisi moderna poteva mano a mano venire alla ribalta con una popolarità sempre crescente negli ultimi trent’anni. Tale ribalta deve anche essere riconosciuta all’ingegneria proteica e agli studi di genetica che hanno permesso negli ultimi anni del ventesimo secolo di modificare le proprietà degli enzimi e di facilitarne la produzione. La tecnologia enzimatica è ancora oggi in questa fase di enorme sviluppo.

Science Direct è un database di ricerca di articoli scientifici che ospita più di dieci milioni di articoli da 3500 riviste scientifiche e 34.000 e-books. Una ricerca in questo archivio professionale del termine “biocatal*” in articoli scientifici con l’affiliation degli autori a istituzioni di ricerca italiane produce dei risultati interessanti (Figura 1).

A parte il periodo iniziale dal 1981 al 1995 i cui dati possono essere certamente influenzati dalla nascita e dalla strutturazione del database stesso, a partire dal 1996 fino ad oggi la produzione scientifica di tali articoli appare relativamente costante nel nostro paese, assestandosi su un numero di prodotti/anno che oscilla tra 50 e 80 pubblicati da gruppi di ricerca in tutto il territorio nazionale, appartenenti sia al contesto universitario che a quello degli enti di ricerca, in special modo al Consiglio Nazionale delle Ricerche. Al di là di questi aspetti generali è l’analisi dettagliata che appare più interessante. Il metodo di ricerca adottato sul database non consente di stabilire con assoluta certezza l’afferenza del totale dei prodotti ad istituzioni italiane per la possibile presenza di articoli derivanti da collaborazioni scientifiche di ricercatori italiani di laboratori stranieri. Un’analisi visiva sui risultati così ottenuti assicura però che i prodotti frutto di istituzioni straniere non superano il 5% del totale. D’altro canto il confronto con la stessa ricerca eseguita per affiliazioni di altri paesi come USA e Germania ci rivela un dato per l’Italia del tutto ragguardevole.

Prendendo in considerazione le riviste su cui tali articoli sono pubblicati ci si accorge che accanto alla rivista Journal Molecular Catalysis B:Enzymatic, che può essere classificata come quella più generica e che accoglie il maggior numero di articoli, quasi a pari merito c’è una rivista più specifica prevalentemente rivolta alla chimica organica e in special modo al settore stereochimico: Tetrahedron: Asymmetry, insieme ad altre più generiche (Tetrahedron e Tetrahedron Lett.) o specifiche con uno sguardo più rivolto al settore della chimica bioorganica e farmaceutica (Bioorganic & Medicinal Chemistry e Bioorganic & Medicinal Chemistry Lett.). Di poco sotto si trovano altre riviste di natura differente le quali accolgono pure un cospicuo numero di articoli come è il caso di Enzyme and Microbial Technology, Process Biochemistry e Biochemical Engineering Journal che pubblicano lavori di prevalente natura biologica (bioprospecting, biomasse) o più direttamente applicativa (Scheda 1).

…alla chimica verde

Credo sia difficile anche per un profano pensare all’appellativo “chimica verde” come ad un settore della chimica paragonabile alla chimica organica o alla chimica-fisica. Più che altro il colore potrebbe richiamare una moda verso le iridescenze cui nemmeno le biotecnologie si sono potute sottrarre anche se non è così. Infatti, il concetto di chimica verde “la progettazione di prodotti chimici e dei processi per la loro produzione, che riduce o elimina del tutto la co-produzione di sostanze pericolose all’uomo” emerse circa venti anni fa con l’introduzione dei 12 principi della green chemistry…

(… segue …)

Leggi l’articolo completo: Antonio Trincone, Dal vino di Noè alla chimica verde, in Scienze e Ricerche n. 38, 1° ottobre 2016, pp. 19-22