Морские и пресноводные микроводоросли как возобновляемый источник соединений с космецевтической активностью
##plugins.themes.ibsscustom.article.main##
Google Scholar
##plugins.themes.ibsscustom.article.details##
Аннотация
Важная особенность экстремофильных и стресс-толерантных микроводорослей — их универсальный метаболизм, позволяющий им синтезировать широкий спектр биомолекул. Данные соединения повышают устойчивость клеток микроводорослей к неблагоприятным факторам. В организме человека биологически активные вещества способны замедлять старение и оказывать противовоспалительное и фотопротекторное действие. Это неудивительно, если учесть, что многие повреждения, вызываемые стрессами в организме человека и в фотоавтотрофных клетках, опосредуются одними и теми же механизмами, такими как атаки свободных радикалов и перекисное окисление липидов. Фотосинтетический аппарат клеток микроводорослей всегда подвержен риску окислительного повреждения, поскольку в процессе его функционирования постоянно генерируются высокие окислительно-восстановительные потенциалы и реакционноспособные молекулы. Этим факторам риска противостоят эффективные системы элиминации активных форм кислорода, включающие, среди прочих компонентов, мощные низкомолекулярные антиоксиданты. Как следствие, фототрофные организмы являются богатым источником биологически активных веществ с большим потенциалом для сдерживания негативных последствий стрессов, действующих на клетки кожи человека изо дня в день. Во многих случаях эти соединения оказываются менее токсичными, менее аллергенными и в целом более «биосовместимыми», чем большинство их синтетических аналогов. Те же самые метаболиты водорослей признаны перспективными ингредиентами для инновационных косметических средств и космецевтических рецептур. Исследователи прилагают всё больше усилий для поиска новых природных биологически активных веществ из микроводорослей. Поддерживает эту тенденцию и растущий спрос на натуральное сырьё для пищевых продуктов, а также нутрицевтики, фармацевтики и косметологии, связанный с глобальным переходом на «зелёные» (возобновляемые) источники сырья. В водорослях-макрофитах было обнаружено поразительное разнообразие соединений с космецевтическими эффектами, но одноклеточные водоросли не уступают им и даже превосходят их в этом отношении. В то же время крупномасштабное биотехнологическое производство биомассы микроводорослей, обогащённой космецевтическими соединениями, проще технически и выгоднее, чем производство или сбор биомассы макрофитов. Культивирование автотрофных микроводорослей, как правило, проще и дешевле, чем культивирование гетеротрофных микроорганизмов. Выращивание в биореакторах позволяет получать более стандартизированную сырую биомассу, качество которой в меньшей степени зависит от сезонных факторов. Биотехнология открывает множество возможностей для производства возобновляемого космецевтического сырья, однако значительная часть биоразнообразия микроводорослей и добываемых из них компонентов остаётся неизученной. Следовательно, поиск и получение биохимической характеристики новых видов и штаммов водорослей, особенно выделенных из местообитаний с суровыми условиями окружающей среды, — это одно из наиболее актуальных направлений дальнейших исследований. Не менее важна разработка подходов к рентабельному культивированию микроводорослей, а также к индукции, экстракции и очистке космецевтически активных метаболитов. Мировое научное сообщество стремительно накапливает информацию о химии и разнообразном действии соединений и метаболитов из микроводорослей; многие экстрагируемые из них вещества уже нашли широкое применение в косметической промышленности. Между тем перечень экстрактов и отдельных химических веществ, выделенных из них и тщательно проверенных на безопасность и эффективность, пока не очень велик. В литературе имеются содержательные обзоры по отдельным классам космецевтических субстанций из микроводорослей, но работы, охватывающие все основные группы таких соединений, встречаются редко. В данной статье рассмотрены наиболее важные классы химических веществ из клеток микроводорослей, обладающих космецевтическим потенциалом. Освещены закономерности состава и накопления этих веществ в связи с аспектами биологии микроводорослей.
Авторы
Библиографические ссылки
Algal Green Chemistry: Recent Progress in Biotechnology / R. P. Rastogi, D. Madamwar, A. Pandey (Eds). Amsterdam : Elsevier, 2017, 336 p.
Arad S., van Moppes D. Novel sulfated polysaccharides of red microalgae: Basics and applications. In: Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology. 2nd ed. / A. Richmond, Q. Hu (Eds). Chichester : Wiley-Blackwell, 2013, chap. 21, pp. 406–416. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch21
Barbosa A. J., Roque A. C. Free marine natural products databases for biotechnology and bioengineering. Biotechnology Journal, 2019, vol. 14, iss. 11, art. no. 1800607 (8 p.). https://doi.org/10.1002/biot.201800607
Black H. S., Boehm F., Edge R., Truscott T. G. The benefits and risks of certain dietary carotenoids that exhibit both anti- and pro-oxidative mechanisms – A comprehensive review. Antioxidants, 2020, vol. 9, iss. 3, art. no. 264 (31 p.). https://doi.org/10.3390/antiox9030264
Boer L. Biotechnological production of colorants. In: Biotechnology of Food and Feed Additives / H. Zorn, P. Czermak (Eds). Berlin ; Heidelberg : Springer, 2013, pp. 51–89. (Advances in Biochemical Engineering/Biotechnology, 2014, vol. 143). https://doi.org/10.1007/10_2013_241
Borowitzka M. A. Commercial production of microalgae: Ponds, tanks, and fermenters. Journal of Biotechnology, 1999, vol. 70, iss. 1–3, pp. 313–321. https://doi.org/10.1016/S0168-1656(99)00083-8
Borowitzka M. A. High-value products from microalgae – Their development and commercialisation. Journal of Applied Phycology, 2013, vol. 25, pp. 743–756. https://doi.org/10.1007/s10811-013-9983-9
Borowitzka M. A., Vonshak A. Scaling up microalgal cultures to commercial scale. European Journal of Phycology, 2017, vol. 52, iss. 4, pp. 407–418. https://doi.org/10.1080/09670262.2017.1365177
Boussiba S. Carotenogenesis in the green alga Haematococcus pluvialis: Cellular physiology and stress response. Physiologia Plantarum, 2000, vol. 108, iss. 2, pp. 111–117. https://doi.org/10.1034/j.1399-3054.2000.108002111.x
Brenner M., Hearing V. J. The protective role of melanin against UV damage in human skin. Photochemistry and Photobiology, 2008, vol. 84, iss. 3, pp. 539–549. https://doi.org/10.1111/j.1751-1097.2007.00226.x
Carlsson A., Van Beilen J., Möller R., Clayton D. Micro- and macro-algae: Utility for industrial applications : outputs from the EPOBIO project / D. Bowles (Ed.) ; CNAP, University of York. Newbury, UK : CPL Press, , 82 p. https://www.etipbioenergy.eu/images/epobio_aquatic_report.pdf
Chekanov K., Lukyanov A., Boussiba S., Aflalo C., Solovchenko A. Modulation of photosynthetic activity and photoprotection in Haematococcus pluvialis cells during their conversion into haematocysts and back. Photosynthesis Research, 2016, vol. 128, pp. 313–323. https://doi.org/10.1007/s11120-016-0246-x
Chubchikova I., Drobetskaya I., Minyuk G., Dantsyuk N., Chelebieva E. Screening of green microalgae as potential source of nature ketocarotenoids. 2. Features of growth and secondary carotenogenesis in the representatives of the genus Bracteacoccus (Chlorophyceae). Morskoj ekologicheskij zhurnal, 2011, vol. 10, no. 1, pp. 91–97.
Coates R. C., Trentacoste E., Gerwick W. H. Bioactive and novel chemicals from microalgae. In: Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology, 2nd ed. / A. Richmond, Q. Hu (Eds). Chichester : Wiley-Blackwell, 2013, chap. 26, pp. 504–531. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch26
Cohen Z. [Production of polyunsaturated fatty acids by the microalga] Porphyridium cruentum. In: Production of Chemicals by Microalgae / Z. Cohen (Ed.). Boca Raton ; London ; New York : CRC Press, 1999, pp. 1–24. https://doi.org/10.1201/9781482295306
Cohen Z., Khozin-Goldberg I. Searching for polyunsaturated fatty acid-rich photosynthetic microalgae. In: Single Cell Oils. Microbial and Algal Oils. 2nd ed. / Z. Cohen, C. Ratledge (Eds). Urbana, IL : AOCS Press, 2010, pt. 3, chap. 10, pp. 201–224. https://doi.org/10.1016/B978-1-893997-73-8.50014-1
Cornish M. L., Garbary D. J. Antioxidants from macroalgae: Potential applications in human health and nutrition. Algae, 2010, vol. 25, iss. 4, pp. 155–171. https://doi.org/10.4490/algae.2010.25.4.155
Couteau C., Coiffard L. Microalgal application in cosmetics. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, chap. 15, pp. 317–323. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00015-3
Davidi L., Levin Y., Ben-Dor S., Pick U. Proteome analysis of cytoplasmatic and of plastidic β-carotene lipid droplets in Dunaliella bardawil. Plant Physiology, 2015, vol. 167, iss. 1, pp. 60–79. https://doi.org/10.1104/pp.114.248450
de la Coba F., Aguilera J., De Galvez M., Alvarez M., Gallego E., Figueroa F., Herrera E. Prevention of the ultraviolet effects on clinical and histopathological changes, as well as the heat shock protein-70 expression in mouse skin by topical application of algal UV-absorbing compounds. Journal of Dermatological Science, 2009, vol. 55, iss. 3, pp. 161–169. https://doi.org/10.1016/j.jdermsci.2009.06.004
Dufossé L., Galaup P., Yaron A., Arad S. M., Blanc P., Murthy K. N. C., Ravishankar G. A. Microorganisms and microalgae as sources of pigments for food use: A scientific oddity or an industrial reality? Trends in Food Science & Technology, 2005, vol. 16, iss. 9, pp. 389–406. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2005.02.006
Eom S.-H., Kim S.-K. Cosmeceutical applications from marine organisms. In: Cosmeceuticals and Cosmetic Practice / P. K. Farris (Ed.). Chichester : John Wiley & Sons, Ltd., 2013, pp. 200–208.
Fox J. M., Zimba P. V. Minerals and trace elements in microalgae. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, pp. 177–193. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00008-6
Freitas S., Silva N. G., Sousa M. L., Ribeiro T., Rosa F., Leão P. N., Vasconcelos V., Reis M. A., Urbatzka R. Chlorophyll derivatives from marine cyanobacteria with lipid-reducing activities. Marine Drugs, 2019, vol. 17, iss. 4, art. no. 229 (18 p.). https://doi.org/10.3390/md17040229
García J. L., de Vicente M., Galán B. Microalgae, old sustainable food and fashion nutraceuticals. Microbial Biotechnology, 2017, vol. 10, iss. 5, pp. 1017–1024. https://doi.org/10.1111/1751-7915.12800
Godlewska K., Dmytryk A., Tuhy Ł., Chojnacka K. Algae as source of food and nutraceuticals. In: Prospects and Challenges in Algal Biotechnology / B. Tripathi, D. Kumar (Eds). Singapore : Springer, 2017, pp. 277–294. https://doi.org/10.1007/978-981-10-1950-0_10
Goiris K., Muylaert K., Fraeye I., Foubert I., De Brabanter J., De Cooman L. Antioxidant potential of microalgae in relation to their phenolic and carotenoid content. Journal of Applied Phycology, 2012, vol. 24, pp. 1477–1486. https://doi.org/10.1007/s10811-012-9804-6
Gong M., Bassi A. Carotenoids from microalgae: A review of recent developments. Biotechnology Advances, 2016, vol. 34, iss. 8, pp. 1396–1412. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2016.10.005
Gröniger A., Sinha R., Klisch M., Häder D. Photoprotective compounds in cyanobacteria, phytoplankton and macroalgae – A database. Journal of Photochemistry & Photobiology B: Biology, 2000, vol. 58, iss. 2–3, pp. 115–122. https://doi.org/10.1016/S1011-1344(00)00112-3
Han D., Li Y., Hu Q. Astaxanthin in microalgae: Pathways, functions and biotechnological implications. Algae, 2013, vol. 28, iss. 2, pp. 131–147. https://doi.org/10.4490/algae.2013.28.2.131
Hussein G., Sankawa U., Goto H., Matsumoto K., Watanabe H. Astaxanthin, a carotenoid with potential in human health and nutrition. Journal of Natural Products, 2006, vol. 69, iss. 3, pp. 443–449. https://doi.org/10.1021/np050354+
Ishihara K., Watanabe R., Uchida H., Suzuki T., Yamashita M., Takenaka H., Nazifi E., Matsugo S., Yamaba M., Sakamoto T. Novel glycosylated mycosporine-like amino acid, 13-O-(β-galactosyl)-porphyra-334, from the edible cyanobacterium Nostoc sphaericum – protective activity on human keratinocytes from UV light. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 2017, vol. 172, pp. 102–108. https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2017.05.019
Julius M. L. Carbohydrate diversity in microalgae: A phylogenetically arranged presentation. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, pp. 133–144. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00006-2
Khozin-Goldberg I., Iskandarov U., Cohen Z. LC-PUFA from photosynthetic microalgae: Occurrence, biosynthesis, and prospects in biotechnology. Applied Microbiology and Biotechnology, 2011, vol. 91, iss. 4, pp. 905–915. https://doi.org/10.1007/s00253-011-3441-x
Kijjoa A., Sawangwong P. Drugs and cosmetics from the sea. Marine Drugs, 2004, vol. 2, iss. 2, pp. 73–82. https://doi.org/10.3390/md202073
Lamers P. P., van de Laak C. C. W., Kaasenbrood P. S., Lorier J., Janssen M., De Vos R. C. H., Bino R. J., Wijffels R. H. Carotenoid and fatty acid metabolism in light-stressed Dunaliella salina. Biotechnology and Bioengineering, 2010, vol. 106, iss. 4, pp. 638–648. https://doi.org/10.1002/Bit.22725
Lee J.-C., Hou M.-F., Huang H.-W., Chang F.-R., Yeh C.-C., Tang J.-Y., Chang H.-W. Marine algal natural products with anti-oxidative, anti-inflammatory, and anti-cancer properties. Cancer Cell International, 2013, vol. 13, art. no. 55 (7 p.). https://doi.org/10.1186/1475-2867-13-55
Levine I. A. Algae: A way of life and health. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, chap. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00001-3
Li J., Zhu D., Niu J., Shen S., Wang G. An economic assessment of astaxanthin production by large scale cultivation of Haematococcus pluvialis. Biotechnology Advances, 2011, vol. 29, iss. 6, pp. 568–574. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2011.04.001
Marine Cosmeceuticals: Trends and Prospects / S.-K. Kim (Ed). Boca Raton : CRC Press, 2011, 432 p. https://doi.org/10.1201/b10120
Marine Macro- and Microalgae : An Overview / F. X. Malcata, I. S. Pinto, A. C. Guedes (Eds). Boca Raton : CRC Press, 2018, 342 p. https://doi.org/10.1201/9781315119441
Masojídek J., Torzillo G., Koblížek M. Photosynthesis in microalgae. In: Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology, 2nd ed. / A. Richmond, Q. Hu (Eds). Chichester : Wiley-Blackwell, 2013, chap. 2, pp. 21–35. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch2
Mimouni V., Couzinet-Mossion A., Ulmann L., Wielgosz-Collin G. Lipids from microalgae. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, pp. 109–131. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00005-0
Morançais M., Mouget J.-L., Dumay J. Proteins and pigments. In: Microalgae in Health and Disease Prevention / I. A. Levine, J. Fleurence (Eds). London : Academic Press, 2018, pp. 145–175. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811405-6.00007-4
Mu N., Mehar J. G., Mudliar S. N., Shekh A. Y. Recent advances in microalgal bioactives for food, feed, and healthcare products: Commercial potential, market space, and sustainability. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2019, vol. 18, iss. 6, pp. 1882–1897. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12500
Mulders K. J. M., Lamers P. P., Martens D. E., Wijffels R. H. Phototrophic pigment production with microalgae: Biological constraints and opportunities. Journal of Phycology, 2014, vol. 50, iss. 2, pp. 229–242. https://doi.org/10.1111/jpy.12173
Naguib Y. Antioxidant activities of astaxanthin and related carotenoids. Journal of Agriculture and Food Chemistry, 2000, vol. 48, iss. 4, pp. 1150–1154. https://doi.org/10.1021/jf991106k
Novoveská L., Ross M. E., Stanley M. S., Pradelles R., Wasiolek V., Sassi J. F. Microalgal carotenoids: A review of production, current markets, regulations, and future direction. Marine Drugs, 2019, vol. 17, iss. 11, art. no. 640 (21 p.). https://doi.org/10.3390/md17110640
Pulz O., Gross W. Valuable products from biotechnology of microalgae. Applied Microbiology and Biotechnology, 2004, vol. 65, pp. 635–648. https://doi.org/10.1007/s00253-004-1647-x
Ryu J., Park S.-J., Kim I.-H., Choi Y. H., Nam T.-J. Protective effect of porphyra-334 on UVA-induced photoaging in human skin fibroblasts. International Journal of Molecular Medicine, 2014, vol. 34, iss. 3, pp. 796–803. https://doi.org/10.3892/ijmm.2014.1815
Schmid D., Schürch C., Zülli F. Mycosporine-like amino acids from red algae protect against premature skin-aging. Euro Cosmetics, 2006, vol. 9, pp. 1–4.
Scott R. Marine ingredients: Latest actives from the deep. Personal Care, 2015, vol. 4, pp. 43–44.
Shick J., Dunlap W. Mycosporine-like amino acids and related gadusols: Biosynthesis, accumulation, and UV-protective functions in aquatic organisms. Annual Review of Physiology, 2002, vol. 64, pp. 223–262. https://doi.org/10.1146/annurev.physiol.64.081501.155802
Silva T. H., Alves A., Popa E. G., Reys L. L., Gomes M. E., Sousa R. A., Silva S. S., Mano J. F., Reis R. L. Marine algae sulfated polysaccharides for tissue engineering and drug delivery approaches. Biomatter, 2012, vol. 2, iss. 4, pp. 278–289. https://doi.org/10.4161/biom.22947
Solovchenko A. Photoprotection in Plants: Optical Screening-based Mechanisms. Berlin ; Heidelberg : Springer, 2010, 167 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-13887-4
Solovchenko A. Physiological role of neutral lipid accumulation in eukaryotic microalgae under stresses. Russian Journal of Plant Physiology, 2012, vol. 59, pp. 167–176. https://doi.org/10.1134/S1021443712020161
Solovchenko A., Khozin-Goldberg I., Didi-Cohen S., Cohen Z., Merzlyak M. Effects of light intensity and nitrogen starvation on growth, total fatty acids and arachidonic acid in the green microalga Parietochloris incisa. Journal of Applied Phycology, 2008, vol. 20, pp. 245–251. https://doi.org/10.1007/s10811-007-9233-0
Solovchenko A., Lukyanov A., Solovchenko O., Didi‐Cohen S., Boussiba S., Khozin‐Goldberg I. Interactive effects of salinity, high light, and nitrogen starvation on fatty acid and carotenoid profiles in Nannochloropsis oceanica CCALA 804. European Journal of Lipid Science and Technology, 2014, vol. 116, iss. 5, pp. 635–644. https://doi.org/10.1002/ejlt.201300456
Solovchenko A. E. Physiology and adaptive significance of secondary carotenogenesis in green microalgae. Russian Journal of Plant Physiology, 2013, vol. 60, pp. 1–13. https://doi.org/10.1134/s1021443713010081
Spolaore P., Joannis-Cassan C., Duran E., Isambert A. Commercial applications of microalgae. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2006, vol. 101, iss. 2, pp. 87–96. https://doi.org/10.1263/jbb.101.87
Suh S.-S., Hwang J., Park M., Seo H. H., Kim H.-S., Lee J. H., Moh S. H., Lee T.-K. Anti-inflammation activities of mycosporine-like amino acids (MAAs) in response to UV radiation suggest potential anti-skin aging activity. Marine Drugs, 2014, vol. 12, iss. 10, pp. 5174–5187. https://doi.org/10.3390/md12105174
Sun T., Yuan H., Cao H., Yazdani M., Tadmor Y., Li L. Carotenoid metabolism in plants: The role of plastids. Molecular Plant, 2018, vol. 11, iss. 1, pp. 58–74. https://doi.org/10.1016/j.molp.2017.09.010
Tanaka T., Shnimizu M., Moriwaki H. Cancer chemoprevention by carotenoids. Molecules, 2012, vol. 17, iss. 3, pp. 3202–3242. https://doi.org/10.3390/molecules17033202
Telfer A. What is β-carotene doing in the photosystem II reaction centre? Philosophical Transactions of the Royal Society B. Biological Sciences, 2002, vol. 357, iss. 1426, pp. 1431–1440. https://doi.org/10.1098/rstb.2002.1139
Thomas N. V., Kim S.-K. Beneficial effects of marine algal compounds in cosmeceuticals. Marine Drugs, 2013, vol. 11, iss. 1, pp. 146–164. https://dx.doi.org/10.3390%2Fmd11010146
Torres A., Enk C. D., Hochberg M., Srebnik M. Porphyra-334, a potential natural source for UVA protective sunscreens. Photochemical & Photobiological Sciences, 2006, vol. 5, iss. 4, pp. 432–435. https://doi.org/10.1039/B517330M
Wada N., Sakamoto T., Matsugo S. Mycosporine-like amino acids and their derivatives as natural antioxidants. Antioxidants, 2015, vol. 4, iss. 3, pp. 603–646. https://doi.org/10.3390/antiox4030603
Ward O. P., Singh A. Omega-3/6 fatty acids: Alternative sources of production. Process Biochemistry, 2005, vol. 40, iss. 12, pp. 3627–3652. https://doi.org/10.1016/j.procbio.2005.02.020
Ye Z.-W., Jiang J.-G., Wu G.-H. Biosynthesis and regulation of carotenoids in Dunaliella: Progresses and prospects. Biotechnology Advances, 2009, vol. 26, iss. 4, pp. 352–360. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.03.004
Zhekisheva M., Zarka A., Khozin-Goldberg I., Cohen Z., Boussiba S. Inhibition of astaxanthin synthesis under high irradiance does not abolish triacylglycerol accumulation in the green alga Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae). Journal of Phycology, 2005, vol. 41, iss. 4, pp. 819–826. https://doi.org/10.1111/j.0022-3646.2005.05015.x
Zittelli G., Biondi N., Rodolfi L., Tredici M. Photobioreactors for mass production of microalgae. In: Handbook of Microalgal Culture: Applied Phycology and Biotechnology. 2nd ed. / A. Richmond, Q. Hu (Eds). Chichester : Wiley-Blackwell, 2013, chap. 13, pp. 225–266. https://doi.org/10.1002/9781118567166.ch13
