EU-IBISBA - European Industrial Biotechnology Innovation and Synthetic Biology Accelerator

EU-IBISBA è un’infrastruttura di ricerca pan-europea dedicata alle biotecnologie industriali. che fornisce un unico punto di accesso ai ricercatori del mondo accademico e industriale di tutto il mondo per usufruire di servizi integrati per lo sviluppo end-to-end di bioprocessi. Unendo competenze europee e strutture di ricerca e sviluppo all’avanguardia, EU-IBISBA promuove la standardizzazione e le migliori pratiche in materia di dati come elementi fondamentali per la riproducibilità e l’interoperabilità dei servizi. In questo modo, IBISBA accelera la produzione e la traslazione di conoscenze all’avanguardia in innovazione per la bioproduzione.

IBISBA-IT costituisce il nodo italiano di EU-IBISBA, svolgendo un ruolo distinto in quattro settori chiave: Biologia Sintetica, Chimica Verde, Bioenergia Sostenibile e Alimenti Funzionali. IBISBA-IT contribuisce agli obiettivi generali di EU-IBISBA rafforzando la ricerca scientifica italiana nelle biotecnologie industriali, supportando le autorità nazionali e locali e promuovendo iniziative di formazione e istruzione.

Enhancing Photosynthesis

La fotosintesi è il processo mediante il quale la luce solare è convertita in potenziale chimico, utilizzabile dagli organismi, e rappresenta pertantp il sito primario si produzione energetica nella biosfera. In condizioni ottimali le relazioni di foto-conversione procedono con una resa quantica estremamente elevata (80-99%). Lo studio di questi sistemi biologici può quindi rappresentate un paradigma utile per l’implementazione di materiali e strategie che li imitino per applicazioni fotovoltaiche e fotocatalitiche. D’altro canto, in condizioni naturali, a causa di variabilità e fluttuazioni ambientali, la resa fotosintetica è generalmente più bassa di quella ottimale e questo può portare a una riduzione della produttività, soprattutto per quanto riguarda le colture agricole. Pertanto, lo studio dei processi, come la raccolta della luce e il controllo dell’efficienza di raccolta, potrebbe portare ad un miglioramento della produttività delle colture ed essere quindi vantaggioso dal punto di vista sociale.

Il progetto “Enhancing Photosintesi” si propone di affrontare alcuni di questi aspetti, studiando sia i fattori che influenzano la produttività delle colture/piante, sia i loro meccanismi molecolari, sia i meccanismi fondamentali di conversione dei fotoni nei fotosistemi con l’obiettivo di trasferire alcune delle loro caratteristiche in sistemi biomimetici artificiali.

Il progetto prevede inoltre lo sviluppo di una piattaforma spettroscopica (ottica) per lo studio dei processi fotosintetici sia in(super)complessi clorofilla-proteina isolati, sia in sistemi fotosintetici intatti così come in sistemi sintetici artificiali (anche allo stato solido). La strumentazione coprirà oltre ad un ampio intervallo temporale (dai femto ai millisecondi) anche una ambia banda spettrale (dal vicino UV al vicino IR). Questa piattaforma sarà basata sia su strumentazioni già esistenti presso il CNR Milano e al PoliMI,  le cui caratteristiche saranno sostanzialmente estese/implementate per renderle adatte allo studio di campioni molto diversificati e complicati da studiare a causa dell’elevata dispersione della luce che presentano. E’ fine del progetto rendere questo “hub” spettroscopico aperto che rappresenti una struttura di duratura che possa aggregare e promuovere la ricerca in fotosintesi, e su argomenti strettamente correlati, a livello regionale e possibilmente nazionale.

PRIN 2022 REDDEST - Extending the red limit of oxygenic photosynthesis: basic principles and implications for future applications

Gli organismi fotosintetici hanno sviluppato strategie altamente diversificate per ottimizzare la raccolta e la conversione della luce in risposta alle caratteristiche spettrali ambientali. La combinazione di bassi flussi fotonici e il concomitante arricchimento nella porzione di rosso lontano/vicino infrarosso (FR/NIR) dello spettro costituiscono condizioni fortemente limitanti. E’ stato recentemente dimostrato che diversi cianobatteri possiedono una specifica risposta di adattamento, detta fotoacclimatazione alla luce rosso lontano (FaRLiP), che comporta un ampio rimodellamento dell’apparato fotosintetico accompagnato dalla sostituzione di circa il 15% della altrimenti onnipresente clorofilla (Chl)a con la Chlf e la Chld, che sono intrisecamente spostate nel rosso, estendendo così la sezione di assorbimento a luci FR/NIR.

Il progetto mira a ottenere una migliore comprensione dei meccanismi molecolari alla base della risposta di fotoacclimatazione alla luce rosso lontano (FaRLiP) nei cianobatteri: i) affrontando l’occorrenza della risposta FaRLiP nei cianobatteri delle rocce desertiche e la variabilità dei geni FaRLiP; ii) identificando i ceppi che mostrano il miglior accumulo di biomassa e fitness in condizioni che mimano l’arrichimento in luci FR/NIR; iii) investigando la relazione tra l’aumento dell’assorbimento di luci FR/NIR e l’efficienza della conversione fotochimica; iv) definendo la natura dei cofattori coinvolti nelle reazioni fotochimiche e l’energetica dei centri di reazione FaRLiP; v) esplorando le proprietà strutturali e il meccanismo catalitico della ChlF-sintasi.

CYAO-CYAnobacteria platform Optimised for bioproduction

Gli organismi unicellulari fotosintetici acquatici (microalghe) sono percepiti come una delle fonti più interessanti per la produzione sostenibile di combustibili alternativi e per l’implementazione della chimica verde. Il progetto CYAO ha come obbiettivo quello di ingegnerizzare ceppi modello di cianobatteri (alghe blue-verdi) già utilizzati per applicazioni biotecnologiche, aumentandone la produttività in termini di accumulo di biomassa mediate la modificazione delle caratteristiche di assorbimento della luce per le peculiari condizioni che gli organismi incontrano nei fotobioreattori (PBR) in cui solo coltivate. Inoltre, per dimostrare il potenziale dei ceppi ingegnerizzati nelle proprietà di antenna, il progetto propone di renderli adatti a produrre un carotenoide, l’astaxantina, che ha un alto valore economico in virtù del suo ampio utilizzo in formulazioni nutraceutiche, come antiossidanti e, specialmente, in acquicoltura, essendo il colorante naturale che caratterizza le carni dei salmonidi.

Sviluppo di una piattaforma per biologia strutturale nella rete di infrastrutture di ricerca europee IBISBA

La funzione delle proteine può essere compresa attraverso la loro struttura. La struttura di una proteina può aiutare la progettazione di modifiche che comportano un aumento o una riduzione dell’attività, a seconda dell’obiettivo desiderato. La progettazione di proteine sintetiche ha bisogno sia di una convalida attraverso la determinazione della struttura, sia di essere ispirata dalle strutture delle proteine – sia quelle da modificare sia i prodotti delle fasi iniziali della progettazione.  Il servizio che stiamo sviluppando è una piattaforma che implementi il processo di determinazione della struttura (dal gene alla struttura della proteina). L’utente fornirà il gene che codifica la proteina di interesse, o il sistema di vettori/espressione e il protocollo di purificazione per produrla ricombinatamente, o la proteina purificata.  Il servizio fornirà uno dei seguenti risultati:

• – Struttura cristallina.
• – Struttura Cryo-EM (per target con peso molecolare MW superiore a 200 kDa).

PRIN 2022 PNRR DYE ART- In vivo incorporation of organic DYE to ARTificially enhance photosynthetic efficiency in green algae and cyanobacteria

Grazie a una maggiore efficienza di fissazione dell’anidride carbonica rispetto alle piante terrestri, le microalghe possono svolgere un ruolo fondamentale nella futura economia a basse emissioni di carbonio e il loro potenziale ha suscitato un crescente interesse da parte del mondo accademico e dell’industria per lo sviluppo di tecnologie di cattura e utilizzo della CO₂.

DYE ART mira alla sperimentazione di una nuova e promettente tecnologia basata su coloranti sintetici che agiscono come sistemi antenna artificiali per migliorare l’efficienza fotosintetica di alghe verdi e cianobatteri. L’obiettivo è quello di superare le attuali limitazioni della crescita autotrofa delle microalghe nei fotobioreattori, per rendere sostenibili i processi biotecnologici basati sulle microalghe, riducendo l’impronta di carbonio e aumentando la produttività complessiva.

DYE ART integra competenze multidisciplinari all’avanguardia nel campo della biologia, della biotecnologia e della fotonica. Il progetto si propone di caratterizzare, verificare e convalidare l’approccio delle antenne artificiali in due gruppi di microalghe – alghe verdi e cianobatteri – entrambi di importanza fondamentale per lo sviluppo di un’ampia gamma di processi biotecnologici e caratterizzati da una diversa configurazione dei complessi pigmento-proteina che raccolgono la luce.

PNRR AGRITECH (SPOKE 8) - CIRCULAR ECONOMY in AGRICULTURE THROUGH WASTE VALORIZATION and RECYCLING

L’attività di ricerca svolta presso IBBA è inquadrata all’interno Task 8.1.2 “Valorisation of the waste by biotechnology processes to obtain for high value molecules or new products” ed è incentrata sull’ utilizzo di microalghe (Chlorella sorokiniana e Chlorella vulgaris) e piante acquatiche (Lemna minor, Lemna gibba) per il trattamento di scarti lattiero caseari accoppiato alla produzione di biomasse valorizzabili per il contenuto proteico e l’estrazione di composti ad alto valore aggiunto.

Nell’ambito del progetto è prevista anche la caratterizzazione metagenomica dei consorzi microbici associati agli organismi fotosintetici durante il trattamento dei reflui e l’isolamento e caratterizzazione di ceppi locali microalgali dalle acque di lavaggio degli impianti caseari.

PNRR ITINERIS - Italian Integrated Environmental Research Infrastructures System

Le sfide più critiche che la nostra società deve affrontare riguardano inquinamento, uso del suolo e cambiamenti climatici, con impatti diretti sulla biodiversità e sull’integrità degli ecosistemi, che richiedono risposte urgenti basate su conoscenze quantitative trasformabili in strategie operative.
Data la complessità di tali sfide, è indispensabile un approccio multidisciplinare al Sistema Terra, che integri misure di campo e di laboratorio, analisi sperimentali, gestione dei dati e strumenti di modellazione nei diversi domini ambientali interconnessi. In questo contesto nasce ITINERIS, una rete tematica che riunisce 22 infrastrutture di ricerca ambientale con l’obiettivo di creare un sistema integrato nazionale per l’osservazione e lo studio dei processi atmosferici, marini, della biosfera terrestre e della geosfera.

Nell’ambito del WP6 – Terrestrial Biosphere, IBBA-CNR contribuisce allo sviluppo di piattaforme armonizzate e distribuite per analisi metagenomiche, produzione di biomolecole e caratterizzazione strutturale e funzionale di proteine e peptidi. Il progetto prevede l’acquisizione e l’integrazione di strumentazioni ad alta tecnologia per il sequenziamento ad alta produttività, la coltivazione microbica e la purificazione e caratterizzazione di macromolecole.

Il progetto rafforza l’interoperabilità delle infrastrutture e la standardizzazione dei dati, in linea con la roadmap IBISBA-EU, sostenendo una visione innovativa e di lungo periodo della ricerca ambientale italiana ed europea.

sPATIALS3 - Miglioramento delle produzioni agroalimentari e tecnologie innovative per un’alimentazione più sana, sicura e sostenibile

Il progetto si configura come un HUB tecnologico e di ricerca che coinvolge 12 istituti CNR, appartenenti a 4 diversi Dipartimenti, e 4 aziende, i cui obiettivi sono: ottenere prodotti migliorati per le proprietà nutrizionali e funzionali; fornire e implementare tecnologie di precisione per garantire la sicurezza, la tracciabilità e la qualità dei prodotti; sviluppare smart– e active-packaging ecosostenibili e innovativi per minimizzare e recuperare, ove possibile, gli sprechi e aumentare la conservabilità degli alimenti; fornire al consumatore e alle aziende strumenti per la fruibilità dei risultati.

PNRR ONFOODS (SPOKE 2) - SMART and CIRCULAR FOOD SYSTEM and DISTRIBUTION

Nell’ambito del Partenariato Esteso ONFOODS, CNR-IBBA è ampiamente coinvolto nello SPOKE 2, dove svolge attività di ricerca legate allo sviluppo di tecnologie innovative per il recupero e la valorizzazione di scarti agroailimentari e l’utilizzo della biomassa ottenuto per la formulazione di nuove soluzioni per packaging alimentari sostenibili a base biologica.

In particolare nel WP2.1 “WP2.2: New technologies for food waste recovery” IBBA coordina per il CNR nel task 2.1.1 il progetto BIOCOIM-BIOCOnversion of agro-industrial food and waste by Insects and Microalagae e partecipa ai progetti del Task 2.1.3 NEWPRO-NEW food and non-food PROducts from agrifood wastes e VALUE_PRODUCT-EVALUation of prototypEs from by PRODUCTs/waste. Mentre nel WP2 partecipa per il Task 2.2.1 alle progettualità BIOPACK-New solution for sustainable BIO-based food PACKaging; FUNPACK-Assessment of bio-FUNctional properties of new smart and sustainable PACKaging solutions e PILOT_PACK-PILOT-scale PACKaging solutions; e per il Task 2.2.2 al Progetto BIOSAN-BIOchemical technologies for SANitization of fresh food products