Produzione biotecnologica di glicosamminoglicani (GAGs)

I glicosaminoglicani, noti anche come GAGs o mucopolisaccaridi, sono lunghe catene non ramificate formate da unità disaccaridiche che continuano a ripetersi in ordine determinato alternando un amminosaccaride (contenente un gruppo amminico al posto di un semplice gruppo -OH) ad un monosaccaride in genere acido (contenente cioè uno o più gruppi carbossilici e/o solfati e quindi cariche negative). Essendo idrofili, i GAG possono legarsi molto facilmente con molecole d'acqua, creando molecole idratate. L'idratazione porta a una sorta di "rigonfiamento" della molecola GAG.

I GAGs svolgono prevalentemente funzioni di sostegno e protezione della maggior parte dei tessuti.

  • Creano e mantengono costante la pressione di turgore extracellulare.
  • Attraggono e legano una grande quantità di acqua di riserva.
  • Conferiscono alle cartilagini proprietà ammortizzanti potendo i GAG cambiare rapidamente il loro volume in seguito a forze di compressione perdendo le molecole di acqua di idratazione.
  • Svolgono funzioni lubrificanti all'interno della membrana sinoviale.
  • Hanno funzione di trasporto di molecole idrosolubili che possono diffondersi rapidamente all'interno della struttura porosa del GAG.
  • Sono donatori di unità glicosidiche durante la sintesi della componente glucidica di glicoproteine.
  • Possono aggregarsi tra loro e con proteine dando luogo a proteoglicani.

I GAGs rappresentano una classe di carboidrati di grande interesse per l’industria farmaceutica per le applicazioni in molti campi quali la rigenerazione tissutale, la medicina estetica (es. tissue augmenting), la cura dell’osteoartrite.

In tali ambiti i glicosamminoglicani più comunemente utilizzati sono l’acido ialuronico (HA) e il condroitin solfato (CHS).

Molti processi di fermentazione per la produzione di GAGs, anche se interessanti sotto l’aspetto produttivo, non hanno valenza industriale per la loro bassa produttività legata alla progressiva riduzione della velocità di crescita del microrganismo. Ciò è da imputare in primo luogo all’esaurimento delle fonti nutrizionali, condizione tipica dei processi batch e, in secondo luogo, all’accumulo di metaboliti correlati alla crescita (es. acido acetico, acido lattico, ammoniaca), che fungono da veri e propri inibitori, generalmente con meccanismi feed-back e quindi rallentano, oltre le proiezioni stimate in modelli di Monod classici, la produzione non solo della biomassa, ma anche dei metaboliti di interesse. Inoltre, in processi lunghi, in particolare utilizzando sistemi ricombinanti, il mantenimento della pressione selettiva (es. concentrazione di antibiotico) e della concentrazione ottimale di induttore costituiscono difficoltà oggettive.

BioTekNet è in grado di sviluppare processi fermentativi in bioreattori innovativi dotati di sistemi di microfiltrazione, idonei alla rimozione in situ dei prodotti tossici a ridotto impatto ambientale.

Tale tecnologia rappresenta la strategia di elezione per aumentare le rese produttive a livelli che rendono il processo largamente competitivo rispetto all’esistente. In un processo, basato sulla rimozione in situ, si possono ottimizzare in continuo le caratteristiche del terreno, mantenendo costantemente i microrganismi o le cellule in crescita in un ambiente ottimale controllato. Questo tipo di approccio ha già dimostrato la sua validità su numerosi sistemi modello di interesse applicativo, wild type o ricombinanti, ed ha avuto un suo significativo esempio di trasferimento al mercato con la realizzazione, in Campania, di impianti per la produzione, sulla scala delle tonnellate, di polisaccaridi di interesse farmaceutico (condroitina solfato, acido ialuronico).

Per sviluppare tali processi BioTekNet adotta approcci metodologici che partono dall’analisi del problema biologico per arrivare alla messa a punto di bioprocessi innovativi. In ogni caso il trasferimento su scala industriale dei bioprocessi allestiti richiede uno studio di fattibilità che impone la validazione su dimensioni intermedie (da scala di laboratorio a quella pilota).

Attualmente un pesante limite allo sfruttamento industriale di molti bioprocessi innovativi è rappresentato proprio dalla mancanza di adeguate piattaforme tecnologiche su cui testare la validità dei processi sviluppati.

BioTekNet riesce a colmare tale lacuna, consentendo di rispondere in modo efficace a problemi di scale-up industriale anche molto complessi. I polisaccaridi così prodotti trovano largo impiego non solo nell’industria farmaceutica, ma anche nell’industria cosmetica.

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Ricercatori

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    • De Rosa Mario

    • Presidente del Consiglio di Amministrazione del Centro Regionale di Competenza in Biotecnologie Industriali BioTekNet S.C.p.A.
    • Professore ordinario di Biochimica presso la Facoltà di Medicina e Chirurgia della Seconda Università degli Studi…

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    • Pavone Vincenzo

    • Vice Presidente e membro del Consiglio di Amministrazione del Centro Regionale di Competenza in Biotecnologie Industriali BioTekNet S.C.p.A.
    • Professore Ordinario di Chimica Generale presso la Facoltà di Scienze MM.FF.NN. dell’Università degli Studi…

    • continua

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