Фізіологія мікроводоростей

Фізіологія мікроводоростей

Мікроводорості — це морські і прісноводні мікроорганізми, які складаються з однієї еукаріотичної клітини. Раніше до синьо-зелених водоростей відносили і ціанобактерії. Пізніше, однак, зійшлись на тому, що ціанобактерії не мають ядра, а отже, це прокаріоти і відносяться все-таки до бактерій, а не до водоростей. Існує безліч видів еукаріотичних одноклітинних мікроорганізмів. Порівняти їх різноманіття можна з різноманіттям комах.

Поліненасичені жирні кислоти

Кількість сполук, які можуть синтезувати ці водні мікроорганізми, дуже велика, і деякі ще досі не вивчені. Таке різноманіття метаболітів формує потенціал для використання мікроводоростей і ціанобактерій в харчовій та фармацевтичній промисловості.

Мікроводорості — продуктивні виробники поліненасичених жирних кислот (ПНЖК). Ці кислоти необхідні людині як попередники нейромедіаторів, простагландинів, лейкотрієнів, тромбоксанів, які регулюють кров'яний тиск, запальні реакції, згортання крові та ін. Людський організм не може синтезувати такі кислоти самостійно. Для отримання ПНЖК нам необхідно їсти жирну рибу, риб'ячий жир. Причому риба, багата на жир з ПНЖК, теж не може синтезувати ПНЖК сама. Їх синтезують мікроводорості. Харчовий ланцюг для ПНЖК починається з їх синтезу мікроводоростями з використанням притаманних їм метаболічних шляхів. В основному це стосується синтезу так званих омега-3 ПНЖК — ейкозапентаєнової і докозагексаєнової жирних кислот, які на аптечних етикетках зазвичай іменуються абревіатурами EPA і DHA відповідно до англійських назв. Високою продуктивністю синтезу цих кислот відрізняються червоні і золотисті водорості. (Втім, систематика мікроводоростей постійно вдосконалюється, і те, що раніше вважалось «золотистим», сьогодні може бути виділено в окрему групу). Потім мікроводорості поїдаються дрібною рибою з вегетаріанськими смаками, якою потім харчуються більш великі хижі особини. Зрештою риб'ячий жир, багатий на омега-3 ПНЖК, у вигляді ікри або великої риби потрапляє на наш стіл. Або в аптеку — у вигляді рідкого (дешевого) або капсульованого (дорогого) риб'ячого жиру з різноманітними привабливими назвами. Завданням фізіології мікроводоростей є вивчення шляхів біосинтезу ПНЖК у різних видів та умов культивування, необхідних для високого виходу кінцевого продукту. А одним із завдань біотехнології мікроводоростей є отримання потрібних людині ПНЖК за спрощеною схемою, яка обминає «рибну стадію» і скорочує шлях виробництва і реалізації продукту до двох стадій: мікроводорості — аптека.

Вплив жирних кислот на організм людини

Багатьма міжнародними організаціями охорони здоров'я рекомендовані препарати з омега-3 жирними кислотами для профілактики серцево-судинних захворювань, тромбозів, для нормального розвитку нервової системи. Останні дослідження показали, що жирні кислоти, які можуть синтезувати мікроводорості, необхідні для нормальної роботи серця.

На початку 80-х років вчені дістались віддалених районів Гренландії з метою оцінки стану здоров'я місцевих ескімосів. Як відомо, дієта ескімосів складається (точніше, складалась до приходу в ті місця цивілізації і глобалізації) з калорійної і жирної їжі, але при цьому вони вживали ще й велику кількість риби, багатої на омега-3 ПНЖК. Виявилось, що в досліджуваній популяції ескімосів серцево-судинні захворювання зустрічались статистично рідше в порівнянні з вже глобалізованим населенням. Цей профілактичний ефект дієти був пов'язаний зі споживанням омега-3 ПНЖК. Пізніше експериментальним шляхом було доведено, що часте вживання омега-3 ПНЖК значно зменшує ризик серцево-судинних захворювань. Тепер ці препарати прописуються лікарями для постінфарктного відновлення та профілактики серцевих захворювань.

Дискусії про ефекти і користь омега-3 ПНЖК для життєдіяльності людського організму не вщухають досі. З'являються роботи, які нібито спростовують отримані раніше дані про користь цих кислот і їх роль в профілактиці серцево-судинних захворювань. Особливо дивовижними виглядають сучасні спроби ревізії позитивного ефекту омега-3 ПНЖК при дослідженні тих же ескімосів і/або алеутів, які давно вже перейшли на споживання гамбургерів і піци. Так чи інакше, навіть відчайдушні критики визнають, що отримані в 80-х роках результати експериментально і статистично достовірні. Повторити ці результати в нашому глобалізованому світі вже неможливо.

У розвинених країнах Західної Європи та США (по цих країнах є достовірні дані) в даний час спостерігається загальне зниження споживання риби та риб'ячого жиру з високим рівнем омега-3 ПНЖК і різке збільшення споживання продуктів з підвищеним вмістом омега-6 ПНЖК (рослинна олія, м'ясо і птиця, вирощені на зернових кормах). За деякими оцінками поточне співвідношення ПНЖК в раціоні зміщене в 30 разів у бік омега-6. Такий дисбаланс жирних кислот в організмі людини не може не викликати різноманітні наслідки, включаючи стрибки рівня тяжких злочинів і самогубств. Наявні дані показують, що нестача EPA і DHA збільшує ризик емоційного стресу, імпульсивність, гнів, провокує суїцидальну поведінку. Навпаки, достатнє споживання цих ПНЖК сприяє формуванню стану врівноваженості та задоволення. Клінічні випробування показали значну антидепресантну ефективність омега-3 ПНЖК у пацієнтів з перепадами настрою і агресивною поведінкою. Ці результати (і багато інших) демонструють величезну роль омега-3 ПНЖК у регуляції психічного здоров'я і поведінки особистості, а також змушують замислитись про необхідність продуманого збалансованого профілактичного харчування.

Різні ПНЖК використовуються і в косметиці у складі ліпідів як пом'якшувальні і зволожуючі речовини, антиоксиданти, кондиціонери шкіри, а також як антибактеріальні агенти. Стандартні лінолева і ліноленова кислоти впливають на обмінні процеси шкіри, сприяють проникненню в шкіру жиророзчинних вітамінів А і Е та відновленню бар'єрних властивостей епідермісу. Зараз поряд з існуючими традиційними композиціями активно застосовуються ліпосоми і тверді наночастинки ліпідів, які є перспективними системами носіїв для косметично активних інгредієнтів. Джерела жирних кислот, які використовуються в косметиці, вельми різноманітні. Вони можуть бути отримані з мікроводоростей, бактерій, рослин, грибів, тварин. Прикладами широко використовуваних природних джерел олії є мигдаль, абрикос, авокадо, макадамія, оливки, сафлор, кунжут, соя, волоський горіх, зародки пшениці, рицина. Ці олії переважно складаються з тригліцеридів, але також містять інші ліпофільні речовини, такі як вільні жирні кислоти, жирні спирти, вітаміни і фітостерини. Касторова олія, одержувана з рицини, багата на рицинолеїнову кислоту і використовується для кондиціювання шкіри, стабілізації емульсій і поверхнево-активних розчинів. Фунгіцидна ундециленова кислота теж отримується з касторової олії, незамінної при виготовленні губної помади (80% всієї видобутої у світі касторової олії йде на виготовлення губних помад). На сучасних фармакологічних ринках є кілька композицій, що містять ліпіди і ПНЖК як активні речовини. Проводиться величезна кількість досліджень, спрямованих на вивчення фізико-хімічних і терапевтичних властивостей різних ліпідів і жирних кислот. Всі перераховані жирні кислоти можна отримати з мікроводоростей. Тому останні розглядаються не лише як безпосередні продуценти тих чи інших корисних речовин, але і як потенційні платформи для промислового виробництва генно-інженерних (дизайнерських) жирних кислот із заданими властивостями.

Поживні трансгени

З початку 60-х років проведено величезну кількість досліджень механізмів синтезу сполук, які продукуються мікроводоростями. Сьогодні ми знаходимось в дуже вигідних умовах, оскільки знаємо безліч деталей про молекулярні і біохімічні шляхи біосинтезу. Ці біохімічні шляхи ми можемо реконструювати з використанням генів, які відповідають за індивідуальні стадії синтезу тієї чи іншої сполуки, і перенести, приміром, у вищі рослини, які можна масово вирощувати на полях. Так ми можемо отримувати трансгени, які можна їсти і які містять необхідні нам речовини.

За наявності упереджень стосовно ГМО олії, багаті на омега-3 ПНЖК, можна отримувати стандартними методами очищення з мікроводоростей. Ці ПНЖК вільні від домішок і забруднень, але поки дорого коштують, що й обмежує їх масове використання. Дивно, що одна і та ж речовина з однаковою формулою, але отримана з різних джерел, по-різному оцінюється громадськістю: риб'ячий жир, напханий потенційними канцерогенами з морських вод, — можна, а чистий продукт з мікроводоростей, вирощених в контрольованих біореакторах (незвичне альтернативне джерело), — не можна. Продукт хімічного синтезу із заданою формулою — можна, а продукт біоінженерії з такою ж формулою — не можна.

Вдалим прикладом застосування генної інженерії для отримання EPA і DHA в рослинах можна вважати модельні експерименти з використанням Arabidopsis як платформи. Ці омега-3 ПНЖК вимагають для синтезу два основні класи ферментів: елонгази і десатурази жирних кислот, які, відповідно, подовжують ланцюг жирних кислот і утворюють в них ненасичені подвійні зв'язки. В експериментах були використані гени елонгази золотистої водорості Isochrysis, а також специфічних десатураз зеленої водорості Euglena і ґрунтового гриба Mortierella. Листя змученого трансгенезом арабідопсиса містило невластиві йому 7% арахідонової і 3% ейкозапентаєнової кислот. При цьому рослини нормально росли і розвивались. Ще більш вражаючі успіхи у справі синтезу довгих ПНЖК в рослинах були досягнуті шляхом збірки шляху їх біосинтезу в сої. Експресія в насінні сої елонгази і десатурази з гриба Mortierella разом з десатуразами з Arabidopsis і прісноводного цвілевого грибка Saprolegnia забезпечувала накопичення в соєвій олії до 20% EPA (від суми всіх жирних кислот олії). Крім того, подальше додавання ще однієї елонгази з мікроводорості Monochrysis і додаткової десатурази з протиста Schizochytrium призвело до накопичення в цій олії до 3% DHA.

Можливості генетичної інженерії (зокрема ті, що стосуються відтворення шляхів біосинтезу потрібних людині ПНЖК) вже перевершують очікування, і деякі шляхи біосинтезу можна відтворювати як дитячий конструктор з різних відомих генетичних блоків. Проте не слід нехтувати і можливостями біотехнології мікроводоростей, яка дозволяє культивувати ці мікроорганізми в контрольованих умовах для подальшого очищення бажаного кінцевого продукту. Останній підхід дозволяє не тільки виробляти продукти без допомоги ГМО, а й зберегти посівні площі, використовувані для традиційних сільськогосподарських культур, важливість і значимість яких для людства поки ніхто не відміняв.

Використання мікроводоростей в космічних системах життєзабезпечення

Дослідження фізіології мікроводоростей і їх можливого біотехнологічного використання стали розвиватись у зв'язку з розвитком космонавтики. Коли люди почали мріяти про тривалі космічні польоти, з'явились завдання, які вимагають технологічних рішень: як забезпечити космічні станції киснем, як забрати вуглекислоту, як нагодувати космонавта, як утилізувати відходи, які на станції так чи інакше повинні утворюватись? Для цієї мети було запропоновано використовувати мікроводорості, зокрема хлорелу, здатну швидко рости, накопичувати біомасу для харчування, виділяти кисень, поглинати СО2. Так були виконані піонерські роботи — сконструйовані і побудовані фотобіореактори для космічних польотів. Хлорела (і не тільки вона) побувала на орбіті і повернулась на Землю, щаслива і готова до подальшого вивчення. Зараз станції на біологічній основі рециркуляції повітря не використовуються, оскільки в ходу хімічні батареї, які регенерують повітря. За розрахунками, зробленими в 2010 році, використання біологічних систем рециркуляції і очищення буде рентабельним при використанні масштабних станцій, якщо тривалість польоту буде перевищувати 2-2,5 роки. Тобто якщо ми мріємо про якісь великі космічні станції закритого типу, які знаходяться на інших планетах або довгий час на орбіті, тоді можна думати про використання біологічних систем життєзабезпечення. Основним компонентом таких станцій будуть мікроводорості.

Баланс поживних речовин в мікроводоростях

Хлорелу — одну з найвідоміших мікроводоростей — можна безпосередньо вживати як їжу, без додаткової обробки, але баланс білка і вуглеводів в її клітинах становить приблизно 50 до 30%. Такий баланс підходить для спортивного харчування, коли людина хоче скинути вагу, зміцнити м'язи. Для звичайного харчування це співвідношення має бути діаметрально протилежним. В даному випадку мікроводорості готові до співпраці. Можна підібрати умови культивування та забезпечити хлорелі такі умови росту, в яких поживні речовини в її біомасі будуть оптимально збалансованими для звичайного харчування. Наприклад, якщо забрати азот із середовища культивування, то вміст білка знизиться, а кількість вуглеводів підвищиться якраз до тієї норми, яку можна вживати людині як звичайну їжу, в якій достатньо і калорій, і поживних речовин, щоб забезпечити нормальну дієту. Тому для космонавтів мікроводорості чудово підходять як альтернативне або навіть основне джерело їжі.

Перспективи

У найближчі роки слід очікувати появи робіт з отримання інженерних ферментів, здатних утворювати подвійні зв'язки в незвичайних положеннях, що сприяють отриманню ПНЖК із заданими терапевтичними властивостями. Крім того, можливі роботи зі створення ферментів «подвійного призначення» (десатураз-епоксидаз або десатураз-оксигеназ і т.п.) зі строго заданою специфічністю. Як носії модифікованих шляхів біосинтезу корисних сполук слід розглядати мікроводорості. Сьогодні у світі зростає інтерес до мікроводоростей, їх фізіологічного, біохімічного і біотехнологічного потенціалу. Робляться численні спроби реанімувати і просто повторити результати, які були отримані раніше і значно випередили свій час. Запропоновані в 60-80-х роках минулого століття рішення і експериментальні підходи тепер лежать в руслі сучасної концепції «Зеленої планети», за якою все необхідне для людини можна буде отримувати в фотосинтезуючих клітинах за рахунок енергії Сонця.

 

 

Коментарі

Ввійдіть або зареєструйтесь, щоб залишати коментарі.
Читайте також

Про перетворення світла на електрику, сонячне паливо і ККД сучасних акумуляторів.

X

Вхід

Завантажую...