Simbiosi industriale per la riduzione delle emissioni di CO2 e sua conversione biochimica in biomasse Algali produttrici di molecole bioattive per la prevenzione dei Tumori. Una sintesi tra economia circolare, salute e ambiente.

From the early 1800s to the present day—and especially over the past 50 years—CO₂ emissions linked to human activities have progressively increased. The massive presence of carbon dioxide in the atmosphere has led to an intensification of the greenhouse effect, resulting in global warming. This phenomenon, in turn, causes imbalances in atmospheric, water, and biological systems, with inevitable consequences for human health. To reduce CO₂ concentrations, we need to adopt the perspective of the so-called circular economy, which aims to assign value to materials considered waste, giving them a new life. For example, CO₂ generated by industrial processes, instead of being released into the environment, could be captured and reused in other sectors, such as in the production of algal biomass. Today, microalgae—microorganisms that can be either eukaryotic or prokaryotic (the latter commonly known as "blue-green algae")—are among the most studied systems in the field of biotechnology. This is due to their enormous potential, particularly in renewable energy (e.g., as biofuels), wastewater treatment, and especially in the production of dietary supplements and bioactive compounds for pharmaceutical use. The choice to use these organisms instead of common higher terrestrial plants is based on the fact that microalgae grow much faster, are particularly suitable for rapid CO₂ absorption and biochemical conversion, and simultaneously produce active biomolecules. The high demand for such products has driven scientific research to develop increasingly specialized production systems to optimize cultivation conditions and enhance the synthesis and production of bioactive molecules. Various systems have been used to increase the production of these bioactive compounds in microalgae in response to stress factors such as nutrient limitation, thermal shock, or altered photoperiods—all aiming to enhance the production of fatty acids in particular. However, although these are among the most widely used methods, they create extreme conditions that significantly inhibit algal growth and may even lead to cell death. To overcome these issues, artificial microRNA (miRNA) technology could be employed as a useful tool to manipulate specific metabolic pathways in order to effectively stimulate fatty acid production in microalgae. The objective of this thesis was to: Develop a cultivation protocol for the microalga Haematococcus pluvialis in a closed system (bioreactor) at the Plasticalfa S.r.l. facility to ensure optimal growth. Isolate and recover the algal shells and lipid fractions at the LIAA laboratory. Characterize the fatty acid content, with a particular focus on Astaxanthin and its esterified forms, at the Campus of Ourense – Chemical Engineering Laboratory, Faculty of Sciences, University of Vigo (Spain). Describe the miRNome of the algal species by identifying miRNAs involved in Astaxanthin production at the Mutagenesis and Cancer Prevention Unit of the IRCCS San Martino Polyclinic, University of Genoa. Conduct in vitro tests to assess antioxidant capacity at the LIAA laboratory.

Dagli inizi del 1800 ad oggi, ed in particolare, in questi ultimi 50 anni, le emissioni di CO2 connesse alle attività umane sono progressivamente aumentate. La presenza massiva di anidride carbonica in atmosfera ha comportato un incremento dell’effetto serra determinando il surriscaldamento del clima terrestre. Tale fenomeno a sua volta causa squilibri in campo atmosferico, idrico, biologico con inevitabili conseguenze sulla salute umana. Al fine di ridurre le concentrazioni di CO2, si dovrebbe entrare nell’ottica della cosiddetta economia circolare; la quale mira a dare un valore ai materiali considerati scarti, ma per i quali invece può essere destinata un’altra vita. Ad esempio, la CO2 generata da processi industriali, invece di essere rilasciata nell’ambiente potrebbe essere captata e riutilizzata in altri ambiti, come ad esempio nella produzione di biomassa algale. Ad oggi le microalghe, ovvero microrganismi sia eucarioti che procarioti (quest’ultimi noti ai più come “alghe verdi-azzurre”) rappresentano i sistemi più studiati nel settore delle biotecnologie in quanto presentano enormi potenziali soprattutto nell’ambito nelle energie rinnovabili, ovvero come combustibile, nel campo di depurazione delle acque reflue, ma soprattutto nella produzione di integratori alimentati e prodotti bioattivi per uso farmaceutico. La scelta di impiegare questi organismi, rispetto alle comuni piante superiori terresti nasce dal fatto che le microalghe presentano una velocità di crescita molto più rapida, sono particolarmente idonee per il rapido assorbimento e trasformazione biochimica della CO2 e, contemporaneamente, producono biomolecole attive. La grande richiesta di tali prodotti ha spinto la ricerca scientifica a studiarne sistemi produttivi sempre più specializzati al fine di migliorarne le condizioni di coltivazione, cercando di aumentare la sintesi e la produzione di molecole bioattive. Diversi sistemi sono stati ad oggi utilizzati per incrementare la produzione delle sostanze bioattive in tali cellule, in risposta a fattori di stress, come ad esempio la limitazione della disponibilità di nutrienti, la creazione di shock termici o ancora alterando il fotoperiodo, tutto al fine di migliorare la produzione soprattutto di acidi grassi. Nonostante questi siano i metodi più utilizzati, tali azioni innescano condizioni estreme nelle quali viene inibita significativamente come effetto diretto la crescita algale, conducendola persino alla morte. Per ovviare a questi problemi si potrebbe usare la tecnologia dei microRNA artificiali (miRNA) come strumento utile per manipolare vie metaboliche specifiche al fine di stimolare efficacemente la produzione di acidi grassi nella microalga. Scopo della presente tesi è stato: 1. mettere a punto un protocollo di coltivazione per la microalga Haematococcus p. in un impianto chiuso (bioreattore), presso l’azienda Plasticalfa S.r.l, al fine di consentirne una crescita ottimale. 2. Separazione e recupero dello shells e della frazione lipidica presso il LIAA. 3. Caratterizzare i contenuti in acidi grassi e in particolare riguardo al contenuto in Astaxantina e sue forme esterificate, presso il Campus di Ourense - laboratorio di ingegneria chimica nella Facoltà di Scienze Università de Vigo (Spagna). 4. Descrivere il miRNome della specie algale, ricercando i miRNA responsabili della produzione di Astaxantina presso l’Unità Operativa Mutagenesi e Prevenzione Oncologica del IRCCS Policlinico San Martino dell’Università di Genova. 5. Test in vitro per saggio capacità antiossidante presso il LIAA.