научно-популярное приложение к газете "Голос Армении"
Menu

МИКРОВОДОРОСЛИ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Микроводоросли

Разработка способов рационального воспроизводства и использования биоресурсов водоемов Армении является одной из приоритетных задач современной отечественной гидробиологической науки. В этом смысле одноклеточные водоросли изучаются главным образом как кормовая база для планктоноядных рыб, моллюсков и ракообразных. В то же время исследованию микроводорослей как прямого сырьевого ресурса для получения продукции фармацевтического, пищевого или технического назначения уделяется значительно меньше внимания.

В ОСНОВЕ ВЫСОКОГО ПОТЕНЦИАЛА МИКРОВОДОРОСЛЕЙ КАК СЫРЬЯ лежит чрезвычайно сложный метаболизм этих организмов, обеспечивающий многофункциональный комплекс механизмов адаптации видов к резким, часто летальным для многих многоклеточных организмов изменениям условий внешней среды и как следствие повсеместное расселение в биосфере.

Серьезные исследования, направленные на идентификацию соединений, вырабатываемых микроводорослями, стали возможны лишь с начала 80-х годов прошлого столетия, с появлением в том числе новых методов физико-химического анализа в биологической химии.

Большинством из коммерчески перспективных биологически активных соединений, синтезируемых микроводорослями, являются вторичные метаболиты, аккумулируемые в клетках  при неблагоприятных для роста условиях внешней среды, чаще всего при дефиците элементов питания. Так, например, в условиях ограничения азота и фосфора некоторые виды таких микроводорослей, как Chlorophyceae и Euglenophyceae, накапливают в промышленно значимых количествах каротиноидные пигменты (β-каротин, астаксантин, кантаксантин, зеаксантин, лютеин), Dinоflagellata, Bacillariophyсeae, Rodophyceae и Prymnesiophyceae – полиненасыщенные жирные кислоты (γ-линоленовую, арахидоновую, эйкозапентаеновую и докозагексаеновую), Cyanobacteria и Dinоflagellata – токсические вещества, обладающие антибактериальными, антивирусными, фунгицидными, антипротозойными и противоопухолевыми свойствами (гликолипиды, акриловая кислота, фенолы, терпеноиды, гликозиды, акролилхолины, алкалоиды и др.).

В настоящее время на мировом рынке нутрицевтиков и продуктов функционального питания каротиноиды являются наиболее востребованным продуктом. По оценке Global Industry Analytics Inc., суммарный объем продаж синтетических и природных каротиноидов в странах Европейского Союза и США за 2001 – 2007 гг. ежегодно увеличивался на 2-5% и к 2010 г. достигал более 1 млрд  долларов США.

Наиболее перспективными промышленными источниками природных каротиноидов среди микроводорослей признаны виды, способные к вторичному каротиногенезу, накапливающие пигменты в липидных включениях при дефиците азота и фосфора и высокой освещенности. У большинства из них в составе вторичных каротиноидов преобладают кетокаротиноиды астаксантин.

АстаксатинАСТАКСАНТИН ИЛИ АСТАЗАНТИН – ПРИРОДНЫЙ КЕРАТОКАРОТИНОИД, имеющий по сравнению с β-каротином два дополнительных атома кислорода на каждом из шестичленных колец, что придает данному веществу насыщенный красный цвет.

Актуальность проблемы определяется высокой биологической ценностью пигмента, широким спектром возможных областей его применения, а также неуклонным рыночным спросом на природные формы кератокаротиноидов, инициированным Всемирной организацией здравоохранения и направленным на полное исключение синтетических биологически активных соединений и красителей из производства продуктов питания и кормов.

Астаксантин

[(6S)-6-гидрокси-3-[(1E,3E,5E,7E,9E,11E,13E,15E,17E)-18-[(4S)-4-гидрокси-2,6,6-триметил-3-оксо-1-циклогексенил]-3,7,12,16-тетраметилоктадека-1,3,5,7,9,11,13,15,17-нонаенил]-2,4,4-триметил-1-циклогекса-2-енон]

Основной сферой потребления астаксантина традиционно является аквакультура рыб и ракообразных, потребляющих до 58% всех производимых в мире каротиноидов. Розничная цена продукта, по данным компании  Cyanotech (США) на 2013 г., колеблется в пределах 7 долл. США за 1 грамм.

Астаксантин – мощный антиоксидант.

В последнее десятилетие после проведения ряда медико-биологических и клинических испытаний безопасности и терапевтической эффективности астаксантина заметно увеличилось его использование в медицине, пищевой и косметической промышленности. Список промышленных продуцентов астаксантина в настоящее время ограничивается всего двумя видами микроорганизмов - микроводорослью Haematococcus и дрожжами Xanthophyllomyces.

Более чем трехкратное ценовое превосходство по сравнению с синтетическим аналогом, обусловленное наличием у микроводоросли Haematococcus pluvialis ряда неблагоприятных для массового культивирования биологических особенностей и низким содержанием астаксантина в биомассе дрожжей (30-800 мг.кг-1), вытесняет природную форму из наиболее емкой сферы потребления кератокаротиноидов – производства кормов – и ограничивает ее применение лишь выпуском дорогостоящих лекарственных препаратов и косметических средств.

Одним из вариантов выхода из сложившейся ситуации может быть использование новых, более технологических и экономически рентабельных продуцентов астаксантина, среди которых наиболее серьезный практический интерес представляют зеленые микроводоросли. Хотя альтернатива Haematococcus pluvialis, равноценная ему по содержанию астаксантина в биомассе (до 4% сухого вещества), в данном таксоне пока не найдена, установлено, что значительное число водорослей (по нашим данным – более 80 видов) и фотосинтезирующих бактерий при определенных условиях накапливают смесь кератокаротиноидов, среди которых на долю астаксантина приходится около 60%.

МИКРОВОДОРОСЛЬ HAEMATOCOCCUS PLUVIALIS ЯВЛЯЕТСЯ ОТНОСИТЕЛЬНО новым объектом промышленного культивирования. Впервые ее выращивание для получения каротиноидного пигмента - астаксантина было освоено в Японии (Fuji Chemical Industry) и США (Cyanotech) в 1997 и 1998 годах соответственно. Перспективы развития нового направления оцениваются высоко как в силу исключительной биологической ценности препарата, так и растущей потребности в нем в аквакультуре, фармацевтической и пищевой промышленности.

В отличие от β-каротина, астаксантин не является провитамином "А", поэтому норму его суточного потребления по медицинским показаниям можно увеличивать до 20 мг/сутки без угрозы побочных явлений, характерных для высоких концентраций витамина А. Кроме того, астаксантин обладает выраженным противовоспалительным действием, а также редкой для многих биологически активных соединений способностью проникать через гематоэнцефалический барьер, что определяет его эффективность при лечении и профилактике заболеваний центральной нервной системы.

Объем производства синтетического астаксантина, выпускаемого двумя мировыми монополистами в этой сфере - компаниями BASF (Германия) и Hoffman-La Roche (Швейцария) для культивирования лососевых рыб и морских ракообразных, в настоящее время составляет примерно 100 т•г-1. Для его полной замены на природную форму только для нужд аквакультуры понадобится увеличить объем производства H. pluvialis с 0,5 до 10 тыс.т•г-1. Хотя по содержанию астаксантина (2-5%) Haematococcus pluvialis превосходит все ныне известные природные источники, себестоимость получения водорослевого пигмента почти в 3 раза выше, чем синтетического (их рыночные цены в долларах США - 2500 и 7000 за 1 кг соответственно). Поэтому исследования, направленные на оптимизацию технологии культивирования Haematococcus pluvialis и поиск других перспективных в этом отношении видов микроводорослей, сохраняют актуальность.

Анализ литературных данных показал, что бессистемный и случайный выбор культур для тестирования их коммерческой перспективности как источников кератокаротиноидов приводит к неубедительным результатам. Поэтому, по нашему мнению, более результативным может оказаться подход, базирующийся на планомерном скрининге по единой схеме близкородственных видов. При этом особое внимание следует уделять обитателям гиперсоленых и пресноводных водоемов, почвенным и аэрофитным водорослям, успешно переживающим экстремальные факторы внешней среды благодаря накапливанию в клетках кератокаротиноидов.

С УЧЕТОМ НАШЕГО ОПЫТА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ и имеющихся литературных данных возможно применение унифицированной схемы выращивания водорослей на этапе первичного скрининга, основанной на методе двухстадийной накопительной культуры. Этот метод, впервые использованный японским ученым M.Kobayashi в исследованиях биосинтеза астаксантина у Haematococcus pluvialis, дает возможность получать в одном эксперименте за сравнительно короткое время данные по двум наиболее важным для скрининга критериям: скорости и выхода каретокаротиноидов из литра культуры, не лимитированным условиями среды роста.

Ключевым условием успешного скрининга продуцентов астаксантина является корректное определение состава кератокаротиноидов в биомассе микроводорослей с использованием преимущественно абсорбционной тонкослойной хроматографии, высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) в сочетании с рядом физико-химических методов структурного анализа (УФ-ВИД-спектрофотометрия, масс-спектрофотометрия, ЯМР-спектрофотометрия). Предлагаемый методологический подход позволяет достоверно идентифицировать химическую природу кератокаротиноидов и определять концентрацию соединений в многокомпонентных смесях веществ.

Согласно нашим представлениям и приобретенному опыту, у микроводорослей класса Chlorophyceae максимально полный список каротиноидов включает до 8 пигментов: β-каротин, эхиненон, β-криптоксантин, кантаксантин, 3’-гидроксиэхиненон, адонирубин, адониксантин и астаксантин. В то же время, у фотосинтезирующих бактерий родов Rhodobacter, Rhodospirillum и Rhodopseudomonas на данном этапе идентифицировано 4 пигмента: β-каротин, родопин, спириллоксантин и ликопин.

Исследования должны охватывать полный цикл получения кератокаротиноидов из микроводорослей, а в перспективе из фотосинтезирующих бактерий, включая выделение и отбор эффективных культур-продуцентов, разработку системы культивирования и оптимизацию условий роста с целью получения устойчиво высокого выхода астаксантина, сбора, утилизации биомассы и повторного ее использования.

Виген ГОГИНЯН, замдиректора НПЦ "Армбиотехнология" НАН РА

 

Опубликовано в Лаборатория
Прочитано 1887 раз
Оцените материал
(2 голосов)
Другие материалы в этой категории: « ИСЦЕЛЯЮЩИЕ ЯДЫ Мог занести жизнь на Марс »

Оставить комментарий

Убедитесь, что вы вводите (*) необходимую информацию, где нужно
HTML-коды запрещены

Наверх