Produzione di bioetanolo da Saccharomyces Cerevisiae

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multipli assemblati in cromatina ed il loro citoplasma è dotato dell’ intero 
spettro di organelli intracellulari (per esempio i mitocondri) e di strutture 
citoscheletriche (come i filamenti di actina). 
 
1.2 Saccharomyces Cerevisiae 
 
L’eucariote unicellulare più studiato è il lievito S.Cerevisiae.  S.Cerevisiae 
altrimenti noto come lievito di birra (o del pane).  
La fermentazione effettuata dalle cellule del lievito è un processo chiave 
nella panificazione, nella produzione del vino e della birra. 
Per il panettiere il prodotto finale importante è l’anidride carbonica. Le 
cellule di lievito aggiunte all’impasto del pane funzionano 
anaerobicamente, producendo sia anidride carbonica che etanolo. 
L’anidride carbonica resta intrappolata nella massa dell’impasto, facendolo 
lievitare, mentre l’etanolo è allontanato senza danni durante il successivo 
processo di cottura, contribuendo al piacevole odore del pane in cottura. 
Per il birraio sia l’anidride carbonica che l’etanolo sono essenziali: 
l’etanolo rende il prodotto una bevanda alcolica e l’anidride carbonica la 
rende frizzante. 
 
S.Cerevisiae è stato studiato intensamente per più di 100 anni. In 
esperimenti risalenti al 1860, Louis Pasteur identificò questo lievito come il 
catalizzatore della fermentazione (si pensava che lo zucchero si rompesse 
spontaneamente producendo alcol ed anidride carbonica). Questi studi alla 
fine portarono all’identificazione dei primi enzimi ed allo sviluppo della 
biochimica sperimentale. La genetica di S.Cerevisiae è stata studiata sin 
dagli anni ’30, col risultato che molti dei suoi geni sono stati identificati. 
Quindi S.Cerevisiae  come E.Coli consente ai ricercatori di approfondire i 
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problemi fondamentali della biologia usando sia l’approccio genetico che 
quello biochimico.  
 
1.2.1 Caratteristiche principali 
 
Saccharomyces cerevisiae ha forma dall'ovale all'ellittico e diametro di 5-
10 micrometri. Si riproduce attraverso un processo di gemmazione.  
Appartiene al regno dei Funghi ed al Phylum degli Ascomiceti.  Si pensa 
che sia stato isolato per la prima volta dalla superficie di acini d'uva; è 
presente infatti nella pruina. 
 
 
Fig.1.1- Immagini di S.Cerevisiae al microscopio elettronico e a fluorescenza 
 
S.Cerevisiae ha un optimum di temperatura tra 25 - 30°C, un massimo a 
circa 40°C ed un minimo che si aggira intorno a 0°C - +5°C. Un optimum 
di pH compreso tra 4 -4.5 con un minimo ad un valore di circa pH =3 ed un 
massimo intorno a 7. Generalmente tollerano bene ambienti con 
concentrazioni zuccherine intorno a 20 - 25%, al di sopra delle quali si 
creano elevati valori di pressione osmotica che provocano prima un 
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rallentamento dello sviluppo e successivamente la morte della cellula 
stessa; solo il genere Zygosaccharomyces risulta essere in grado di 
sopportare concentrazioni zuccherine al di sopra del 60%. Risultano 
pertanto microrganismi osmofili ma non alofili cioè non sono in grado di 
resistere anche a concentrazioni modeste di sale.  I fattori che influenzano 
l’attività fermentativa del lievito  possono essere riassunti in: 
 Temperatura 
 Presenza di ossigeno 
 pH 
 concentrazione elevata di alcool (questo fattore interessa 
maggiormente i lieviti utilizzati in vinificazione) 
 presenza di zuccheri 
 presenza di sale 
Considerando il primo fattore si può dire che i lieviti sono esseri viventi per 
cui la loro vita durante la conservazione è influenzata, tra l’altro, dalla 
temperatura. Temperature elevate determinano l’autolisi delle cellule del 
lievito, cioè causano l’”autodistruzione” delle medesime. A 50 - 60°C 
questi microrganismi muoiono in brevissimo tempo. 
In teoria il lievito compresso potrebbe essere congelato senza che vengano 
danneggiati i suoi enzimi e/o la struttura cellulare; in pratica, durante il 
congelamento ed il conseguente scongelamento potrebbe andare incontro a 
“liquefazione” come conseguenza del danneggiamento subìto dalle cellule 
durante l’intero processo. Si consiglia pertanto di non utilizzare mai il 
lievito appena tolto dal frigorifero o dal congelatore ma di portarlo 
gradatamente alla temperatura di lavoro; così facendo si permette alle 
cellule di Saccharomyces cerevisiae di uscire dallo “stress” causato dal 
freddo e di rivitalizzarsi prima di operare il processo fermentativo. La 
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conservazione del Saccharomyces cerevisiae è variabile e può durare; 5 
giorni a 30°C, 15 giorni a 20°C, 1 mese a 10°C e 2 mesi a 0°C. 
Tutte le reazioni chimiche che avvengono durante la fermentazione 
producono calore (sono cioè esotermiche) ed il riscaldamento dell’impasto 
non è sempre compatibile con uno sviluppo ottimale dei lieviti in quanto 
aumentando la temperatura si aumenta il metabolismo della cellula quindi 
si incrementa il fabbisogno energetico che viene soddisfatto “bruciando” i 
carboidrati di riserva, le proteine ecc. A questo punto si va incontro ad 
autolisi cellulare cioè alla distruzione della cellula. 
Questo è il motivo principale per cui a “cuore” delle bighe e/o degli impasti 
in generale, vi è una temperatura più elevata che non all’esterno. 
Inoltre per ogni incremento di grado tra i 20 - 30°C si ha un aumento 
dell’attività fermentativa. Si ricorda però che, oltre i 40°C, il metabolismo 
del Saccharomyces Cerevisiae risente dell’eccessivo riscaldamento 
dell’impasto a tal punto da arrestare la fermentazione; temperature 
prossime allo 0°C determinano invece un rallentamento dall’attività 
fermentativa.(Fenomeno evidente nelle celle di ferma-lievitazione e non 
solo, in cui la temperatura nella fase di mantenimento viene fissata a +1°C - 
+2°C) 
Nel 1996  è stato il primo eucariote il cui genoma sia stato interamente 
sequenziato. 
La banca dati del genoma di Saccharomyces cerevisiae è molto curata e 
rappresenta un importante strumento di conoscenza basilare delle funzioni 
e dell'organizzazione della cellula eucariote in genetica e fisiologia. Una 
delle più importanti banche dati sul S. cerevisiae è ospitata dal Centro 
Informazioni sulla Sequenza delle Proteine di Monaco. Il genoma è 
composto da circa 13.000.000 coppie di basi, organizzate in sedici 
cromosomi, e 6275 geni, sebbene soltanto 5800 di questi sono ritenuti 
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essere i veri geni funzionali. Si stima che Saccharomyces cerevisiae 
condivida circa il 23% del suo genoma con l'uomo.       
 
 
 
Fig.1.2- Cariotipo di S.Cerevisiae 
 
S.Cerevisiae può crescere sia in uno stato aploide (cioè con una copia di 
ciascun cromosoma) o diploide (cioè con due copie di ciascun cromosoma). 
La conversione da stato aploide a diploide è mediata dall’accoppiamento, 
mentre il passaggio da diploide ad aploide avviene tramite sporulazione. 
 
Durante la loro progressione del ciclo cellulare, le cellule di S.Cerevisiae 
cambiano forma. Immediatamente dopo il rilascio dalla cellula madre, la 
cellula figlia ha una forma ellittica. Durante il ciclo cellulare, essa sviluppa 
una piccola gemma (una piccola sporgenza) che si trasformerà alla fine in 
una nuova cellula. La spora cresce fino a raggiungere le stesse dimensioni 
della cellula madre da cui origina. A questo punto, essa viene rilasciata 
dalla madre ed entrambe le cellule ricominciano il processo.  
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Fig.1.3- Formazione di una spora 
 
Semplici osservazioni al microscopio  della forma della cellula di lievito 
sono in grado di fornire molte informazioni sugli eventi che si svolgono 
all’interno.  
Questo perché, in una cellula di S.Cerevisiae di tipo selvatico, l’insorgenza 
di una nuova “gemma” è strettamente collegata all’inizio della  
replicazione del DNA. Per analogia, una cellula in crescita dotata di una 
sporgenza accentuata è quasi sempre in fase di segregazione dei 
cromosomi. 
Gli studi su questo organismo hanno dato un contributo alla comprensione 
della trascrizione, della regolazione genica, della replicazione del DNA, 
della ricombinazione, della traduzione e dello splicing negli eucarioti. 
Gli studi genetici nel lievito di birra hanno consentito l’identificazione di 
proteine coinvolte in tutti questi processi. 
 
 
 
 
 
 
 
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1.2.2 Fabbisogno energetico 
 
Le cellule per accrescersi e riprodursi hanno bisogno di un pool di 
intermedi glicolitici e di energia, quest’ultima deve essere disponibile 
velocemente e localmente; ciò si realizza generalmente per idrolisi di 
composti ad alto contenuto energetico ed attraverso il metabolismo 
cellulare. 
 
Le reazioni di ossido riduzione fanno parte delle reazioni biologiche che 
producono energia e coinvolgono il trasferimento di elettroni da un 
reagente ad un altro. Il donatore di elettroni, composto energetico ossidato, 
cede uno o più elettroni che vengono trasferiti ad un accettore di elettroni 
(composto ridotto). Uno dei più comuni accettori di elettroni degli 
organismi viventi è la molecola di ossigeno. 
 
Il trasferimento di elettroni da donatore a accettore in una cellula coinvolge 
la partecipazione di uno o più trasportatori di elettroni. I trasportatori di 
elettroni possono essere divisi in due classi generali: quelli liberamente 
diffusibili, e quelli che aderiscono agli enzimi nella membrana 
citoplasmatica. I trasportatori di elettroni liberamente diffusibili includono i 
coenzimi NAD+ e NADP+. Questi sono trasportatori di atomi di idrogeno e 
trasferiscono sempre due atomi di idrogeno al successivo trasportatore nella 
catena. Il NAD+ è direttamente coinvolto nelle reazioni che generano 
energia (cataboliche), mentre il NADP+ è coinvolto principalmente nelle 
reazioni biosintetiche (anaboliche). 
 
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L’energia libera rilasciata nelle reazioni di ossido riduzione viene 
conservata nella formazione di alcuni composti biochimici ad alto 
contenuto energetico, come l’ATP. 
Le reazioni interessanti il substrato ed i vari coenzimi, che si legano 
nell’accumulo energetico dell’ATP, sono catalizzate da parte di 
macromolecole organiche complesse, secrete dai microrganismi, dette 
enzimi, proteine altamente specifiche che funzionano da veri e propri 
catalizzatori biologici e che si ritrovano immutate al termine della reazione  
biologica. 
In generale i lieviti metabolizzano cioè trasformano gli zuccheri semplici 
attraverso due vie: 
 via aerobica: in presenza di ossigeno 
 via anaerobica in assenza di ossigeno. 
In condizioni di aerobiosi cioè in presenza di ossigeno, i lieviti operano 
quindi la respirazione trasformando gli zuccheri semplici in anidride 
carbonica, acqua e massa cellulare. In condizioni di anaerobiosi (cioè in 
assenza di ossigeno) i lieviti operano la fermentazione alcoolica 
producendo alcool etilico e anidride carbonica oltre ad altri metaboliti 
secondari responsabili delle caratteristiche organolettiche del prodotto 
finito. 
Nell’impasto avvengono entrambi questi metabolismi; nell’impasto 
aerobio, cioè durante l’impastamento e la fase immediatamente successiva, 
il lievito cresce e si riproduce molto rapidamente operando la respirazione. 
Quando tutto l’ossigeno presente nell’impasto è stato consumato, le cellule 
del lievito operano la fermentazione alcoolica cioè, da questo punto in 
avanti, il Saccharomyces cerevisiae produrrà anidride carbonica ed alcool 
etilico.