Де зустрічаються ціанобактерії?

Ціанобактерії широко поширені в прісноводних та морських екосистемах, і відомі, насамперед, як продуценти сильнодіючих токсинів, небезпечних для людини та інших організмів. Протягом тривалого часу увага вчених була зосереджена на вивченні токсигенних видів ціанобактерій, виділенні та ідентифікації токсинів, створенні методів та систем очищення води, як питної, так і використовуваної в рекреаційних та інших цілях (Поляк, Сухаревич, 2017; Білих та ін., 2020) ; Burford et al., 2020).

В останні роки ціанобактерії дедалі частіше стають предметом ще одного напряму досліджень. Їх розглядають як джерело корисних біологічно активних сполук, важливих, а іноді просто необхідних, у різних сферах людської діяльності (Mi et al., 2017; Нємцева та ін., 2019; Jodlbauer et al., 2021). Багато продуктів метаболізму ціанобактерій мають комерційну цінність.

У процесі метаболізму ціанобактерії утворюють амінокислоти, жирні кислоти, макроліди, аміди та інші сполуки. При аналізі 670 публікацій, присвячених метаболітам ціанобактерій (Demay et al., 2019), встановлено, що представники >90 пологів ціанобактерій утворюють речовини з потенційно корисними властивостями.

Мета цього огляду – аналіз сучасних даних про різноманітність ціанобактерій (продуцентів біологічно активних сполук), хімічне розмаїття речовин, що утворюються ціанобактеріями, можливості їх використання в різних галузях.

ОСОБЛИВОСТІ СИСТЕМАТИКИ ЦІАНОБАКТЕРІЙ І РІЗНОМАНІТНІСТЬ ЇХ МЕТАБОЛІТІВ

В даний час відомо >400 пологів та 5000 видів ціанобактерій, що мешкають у прісноводних водоймах, морях, океанах, солоних та лужних озерах, наземних екосистемах (Komarek et al., 2014; Hauer, Komarek, 2021). Систематика ціанобактерій традиційно спиралася на морфологічні ознаки виду, проте останні десятиліття, з активним розвитком молекулярно-біологічних методів досліджень, систематичне становище ціанобактерій піддається ревізії. Ціанобактерії – продуценти біологічно активних сполук – можуть мати кілька різних назв, що ускладнює систематизацію нових даних. Наприклад, деякі ціанобактерії, відомі протягом багатьох років, як представники роду Oscillatoria, згодом були віднесені до пологів Limnothrix, Planktothrix, Phormidium (Mühlsteinová et al., 2018). Рід Limnospira, представники якого широко поширені і активно використовуються в біотехнології та сільському господарстві, раніше був відомий як Arthrospira (Hicks et al., 2021; Макєєва, Осипова, 2022).

Крім того, багато біологічно активних сполук можуть бути утворені представниками різних пологів і, таким чином, зустрічаються у ціанобактерій різних таксономічних груп. Так, продуцентом циклічного пептиду анабенопептину (ABPN) вважали прісноводну ціанобактерію. Dolichospermum flos-aquae (Brébisson ex Bornet & Flahault) P. Wacklin, L. Hoffmann & J. Komárek (Anabaena flos-aquae), У якої він був виявлений вперше (Harada et al., 1995). В даний час виділено >100 анабенопептинів у представників різних родів ціанобактерій, включаючи морські види.

Дім з співавт. (Demay et al., 2019) виділяють 260 сімейств метаболітів ціанобактерій відповідно до їх хімічного класу.Найбільша кількість різних метаболітів утворюють види, що належать до порядків Oscillatoriales (153 групи метаболітів) та Nostocales (98 груп). Значна кількість біологічно активних метаболітів виявлено і в інших пологів. Наприклад, у ціанобактерій роду Synechococcus виявлені метаболіти, що належать до >30 різних груп.

За хімічною будовою та властивостями виділяють десять основних класів сполук: алкалоїди, терпени, пептиди, депсипептиди, ліпопептиди, макроліди, лактони, полісахариди, ліпіди та полікетиди. За біологічною активністю метаболіти ціанобактерій відносять до чотирнадцяти класів на підставі їх летальності, гепатотоксичності, дерматотоксичності, цитотоксичності, невротичної дії, протизапальної, антиоксиндантної, антивірусної, протидорослої, антибактеріальної, антифунгальної, антипротозної активності al., 2019).

БІОЛОГІЧНО АКТИВНІ МЕТАБОЛІТИ ЦІАНОБАКТЕРІЙ

Метаболіти ціанобактерій можуть бути використані в різних сферах людської діяльності, включаючи фармакологію, де нетоксичні для людини антимікробні речовини необхідні для створення безпечних лікарських препаратів, та харчову промисловість, де їх застосовують для захисту продуктів від псування (Abushelaibi et al., 2012; Sung et al. ., 2013).

Антибактеріальна та антифункційна активність. Серед біологічно активних сполук ціанобактерій, які мають антибактеріальну активність, – алкалоїди, терпени, пептиди (табл. 1). Більшість цих сполук проявляє активність не лише по відношенню до бактерій, а й по відношенню до інших мікроорганізмів. Багато продуктів метаболізму ціанобактерій мають високу антифункційну активність (табл. 1).Деякі групи таких сполук, наприклад, хасаллідини, мають специфічну активність проти грибів, не проявляючи антибактеріальної активності (Demay et al., 2019). Метаболіти ціанобактерій з антифунгальними властивостями мають особливе значення, оскільки природних засобів боротьби з грибами нині відомо небагато. Значною мірою це пов'язано з підвищеною стійкістю грибів до дії несприятливих факторів, їхньою здатністю до швидкого та інтенсивного розмноження.

Таблиця 1.

Антимікробна активність метаболітів ціанобактерій

Специфічну антифунгальну активність мають багато біологічно активних сполук, виділених з ціанобактерій, що належать до пологів. Nostocales і Lyngbya (Kulik, 1995). Ідентифіковано та запатентовано метаболіти ціанобактерій, що пригнічують розвиток грибів – патогенів сільськогосподарських культур (Prasanna et al., 2010). Особливо високою активністю проти фітопатогенних грибів відрізняються продукти метаболізму ціанобактерії. Fischerella muscicola Gomont.

Антиводорева активність. Утворення сполук, що володіють антиводорістовою активністю, дозволяє ціанобактерії вступати в алелопатичні взаємини в альгоценозах. Метаболіти ціанобактерій діють проти загальних механізмів фотосинтезу і можуть пригнічувати активність фотосистеми II як у інших ціанобактерій, так і у представників еукаріотичних мікроводоростей. У морському середовищі, завдяки включенню галогенів у синтез біологічно активних сполук водоростей, їхня алелепатічна дія носить більш специфічний характер, ніж у прісній (Андрєєва та ін., 2020).

Антивірусна активність ціанобактерій в даний час мало вивчена, проте відомо, що метаболіти ціанобактерій можуть чинити антивірусну дію (Vijayakumar, Menakha, 2015; Thuan et al., 2019). Таку активність мають алкалоїди, що продукуються деякими представниками роду Oscillatoria, Lyngbya majuscula та іншими ціанобактеріями.

Протипухлинна активність. Для оцінки протипухлинної активності метаболітів ціанобактерій вивчають передусім їх цитотоксичність. Цитотоксична дія має продукти метаболізму ціанобактерій пологів. Anabaena, Nostoc, Lyngbya, Scytonema та інші (Demay et al., 2019). Ціанобактерія Symploca sp. Kützing ex Gomont утворює ларгазол, який індукує цитотоксичні процеси в ракових клітинах і може бути використаний як антираковий агент (табл. 2).

Таблиця 2.

Можливі способи застосування метаболітів ціанобактерій

Для лікування раку можуть використовуватися і деякі ціанотоксини (Німцева та ін., 2019). вивченні фізико-хімічних властивостей ціанотоксинів, звертають увагу і на їх корисні властивості, зокрема, на потужний протираковий потенціал. . В даний час вивчають можливість застосування ціанотоксинів в малих дозах як протипухлинні препарати (Zahra et al. 2020).

Пігменти з антиоксидантною активністю.Ціанобактерії продукують пігменти, що мають антиоксидантну активність, - фікобіліпротеїни і каротиноїди (Saini et al., 2018) За своєю біологічною природою, вони нешкідливі для людини і можуть замінити хімічні барвники в фармацевтичних препаратах. . ціанобактерій захищають клітини від УФ-випромінювання та фотоокислення (Поляк, 2015). Потреба в антиоксидантних пігментах досить велика, що вказує на великий біотехнологічний потенціал цієї групи метаболітів ціанобактерій.

Значна частина (20% сухої маси) біомаси багатьох ціанобактерій представлена ​​фікобіліпротеїнами (Prasanna et al., 2007). а Фікобіліпротеїни відносяться до основних фотосинтетичних пігментів ціанобактерій. Серед різних факторів середовища найбільший вплив на синтез фікобіліпротеїнів надає світло, яке можна використовувати для збільшення виходу пігментів. Здатність ціанобактерій адаптувати метаболічні шляхи у відповідь на зміни навколишнього середовища визначає пластичність їх метаболізму, їх унікальну здатність адаптуватися до умов довкілля (Polyak, Sukharevich, 2020).

У фармакологічних та медичних дослідженнях (наприклад, у дослідженнях імунної системи) при вивченні біологічних процесів на молекулярному рівні фікобіліпротеїни використовують як флуоресцентні мітки (Кучмій та ін., 2012). Барвники на основі пігментів ціанобактерій можуть застосовуватись у виробництві шампунів, піни для ванн, при виготовленні косметичних засобів, у тому числі губної помади. Отримано низку патентів на застосування пігментів ціанобактерій у косметичній промисловості (Prasanna et al., 2010).

Серед цінних натуральних продуктів ціанобактерій - ліпідорозчинний жовто-коричневий пігмент сцитонемін, що має захисні властивості від ультрафіолетового випромінювання (Pathak et al., 2020). Сцитонемін знайдений тільки у ціанобактерій і завдяки своїй антиоксидантній активності може бути використаний як косметичний засіб для захисту від УФ променів (табл. 2).

Ферменти. Великої уваги заслуговує здатність ціанобактерій синтезувати ферменти, у тому числі, целюлази, амілази, галактозидази, протеази, ліпази, лактази, антиоксидантні та ін ферменти, що каталізують безліч різних реакцій (Dos Santos Alves Figueiredo Brasil et al., 2017). Ціанобактерії утворюють протеази різного типу, класифікація яких ґрунтується на особливостях механізму гідролізу.Гідролітичні ферменти, що мають потенційну антифунгальну активність, синтезують ціанобактерії роду Anabaena (Табл. 2) (Gupta et al., 2011).

Хоча потреба у ферментах постійно зростає, процес їх отримання з використанням ціанобактерій недостатньо вивчений і поки що не реалізований. У перспективі ферменти ціанобактерій можуть бути використані в харчовій, хімічній, фармацевтичній промисловості та інших галузях, проте для цього необхідна оптимізація процесів їх отримання, збільшення масштабів виробництва, розвиток нових стратегій та методів.

амінокислоти. Серед корисних продуктів метаболізму ціанобактерій заслуговують на увагу амінокислоти та вітаміни. Амінокислоти утворюють всі ціанобактерії, як азотфіксуючі, так і не мають здатності фіксувати азот. Наприклад, у позаклітинному середовищі Anabaena cylindrical Lemmermann, Nostoc sp. і Oscillatoria planctonica Woloszynska, крім аланіну і глютамінової кислоти, виявлено гліцин, серин, лейцин, треонін і валін, а біомаса Calothrix brevissima G.S.West містить велику кількість аланіну, аспаргінової та глютамінової кислот (Prasanna et al., 2010). Максимальна кількість амінокислот вивільняється в середу у стаціонарній фазі зростання ціанобактерій.

Вітаміни. Багато ціанобактерій утворюють вітаміни груп A, B, C, D і E, у тому числі, вітамін B₁₂, Який вважається особливо цінним продуктом. Він не синтезується рослинами, але необхідний стабільної роботи нервової системи людини (Prasanna et al., 2010; Zahra et al., 2020). Кількість вітамінів залежить від генотипу, стадії зростання ціанобактерій, інтенсивності освітлення та інших факторів, що впливають на їх зростання та обмін речовин.Хоча продуктивність таких процесів може бути досить високою, відомості про комерційне використання ціанобактерій у виробництві вітамінів відсутні.

Ціанобактерії роду Arthrospira вважаються перспективним джерелом поліненасичених жирних кислот омега-3- та омега-6, які необхідні для нормального функціонування серцево-судинної системи, мозку та шлунково-кишкового тракту (Conde et al., 2021). Деякі ціанобактерії, наприклад, представники роду Synechocystis, мають здатність синтезувати полігідроксиалканоати, і завдяки цій властивості можуть бути використані для отримання полігідроксибутирату (табл. 2). Полігідроксибутират є природною формою пластику, він швидко розкладається в навколишньому середовищі і може замінити поліпропілен (Koch et al., 2020).

Досить складно перерахувати всі відомі продукти метаболізму ціанобактерій в силу їх численності та різноманітності хімічної будови та характеру біологічної дії. Крім того, метаболіти ціанобактерій досліджені різною мірою. Значна кількість біологічно активних сполук поки не ідентифікована, і ще більша їх кількість поки що не вдалося виділити. На жаль, зв'язок між хімічним класом метаболітів та типом їхньої біологічної активності також до кінця не зрозумілий.

БІОМАСА ЦІАНОБАКТЕРІЙ

У природних умовах ціанобактерії здатні накопичувати величезну біомасу та мають низку переваг перед багатьма видами водних організмів (Cухаревич, Поляк, 2020). Порівняно з іншими водоростями клітини ціанобактерій мають значно більше співвідношення поверхні до об'єму, це дозволяє їм більш ефективно використовувати поживні речовини.Ціанобактерії утворюють складні колонії, що дозволяє знизити негативний вплив на окрему клітину. Вони можуть розвиватися при підвищеній концентрації CO₂; використовують додаткові пігменти при інтенсивному висвітленні; здатні активно зростати при температурі, несприятливій для зростання інших водоростей, у тому числі діатомових (Huang, Zimba, 2019). Всі ці та багато інших властивостей створюють їм додаткову перевагу у конкурентній боротьбі.

Біомаса ціанобактерій може бути використана в харчовій промисловості. Ціанобактерії пологів Anabaena, Nostoc, Aphanizomenon, Arthrospira використовують у їжу в Китаї, Індії, Чилі, Мексиці, Перу, США, на Філіппінах (Кокшарова, 2008; Barka, Blecker, 2016). Препарати на основі ціанобактерій, що випускаються у вигляді порошків, таблеток і гранул, набули широкого поширення на ринку завдяки високій засвоюваності та цінному складу, що включає, крім білків, ліпіди, вуглеводи, каротиноїди, вітаміни та мінеральні елементи (Дідович та ін., 2017). Вміст білка у ціанобактерій роду Arthrospira вище, ніж у продуктів тваринного та рослинного походження.

Використовуючи CO₂ і сонячну енергію, ціанобактерії можуть перетворювати на біомасу ~25 гігатон вуглецю щорічно, що вказує на їх високий потенціал як джерела сировини для виробництва продуктів харчування та багатьох інших речовин (Pisciotta et al., 2010). Слід зазначити, що реалізація таких процесів передбачає величезний обсяг наукових досліджень та значні витрати на створення технології та обладнання (Rajneesh et al., 2017). Необхідність виділення ціанобактерій із великих обсягів води істотно підвищує вартість та знижує рентабельність процесу.

Певні труднощі пов'язані як з економічними, а й з екологічними проблемами. Багато ціанобактерій мають здатність синтезувати токсини. Спільний розвиток ціанобактерій, що використовуються для отримання біомаси, з видами, що продукують токсини, призводить до забруднення біомаси ціанотоксинами і ставить під удар якість і безпеку одержуваного продукту (Zahra et al., 2020).

Біопаливо

Серед цінних мікробних продуктів окреме місце займає біопаливо. Проблемі отримання біопалива за допомогою ціанобактерій присвячено багато досліджень, при цьому особлива увага приділяється її економічним аспектам (Gupta et al., 2013).

Запаси викопного палива (нафти, кам'яного вугілля, газу та інших.), що забезпечують нині більшу частину світового споживання енергії, не нескінченні, отже необхідний пошук альтернативних, відновлюваних джерел енергії. Переваги отримання біопалива з використанням ціанобактерій полягають у високій швидкості їх зростання, високої продуктивності, невибагливості стосовно джерел живлення та умов культивування. До цього слід додати легкість, з якою ціанобактерії піддаються генетичним маніпуляціям. Враховуючи ці властивості, багато авторів вважають за доцільне і навіть необхідне створення технологій отримання біопалива на основі ціанобактерій (Farrokh et al., 2019; Zahra et al., 2020).

В даний час великий інтерес проявляється до такого джерела енергії, як біоводень (табл. 2). Багато ціанобактерій синтезують водень в умовах стресу, наприклад, за відсутності в середовищі сірки.Нестача сполук сірки блокує синтез білків фотосинтетичного апарату, що призводить до зниження активності фотосистеми II, індукції синтезу ферменту гідрогенази та виділення водню (Melis et al., 2000).

Перспективними продуцентами біоводню вважаються гетероцистні ціанобактерії. Вони утворюють та виділяють водень як побічний продукт нітрогеназної активності, і є ідеальною системою, оскільки процеси виділення водню та кисню відбуваються у різних клітинах (Kosourov et al., 2009). Більше 14 пологів ціанобактерій, включаючи Anabaena, Calothrix, Oscillatoria, Nostoc та інші, виявляли здатність утворювати водень за певних умов культивування (Дідович та ін., 2017). Так, клітини ціанобактерії Anabaena виділяли найбільшу кількість водню (30 мл H₂/год) на світлі при нестачі азоту. Ціанобактерії можна використовувати і для одержання метану.

Для ефективного проведення процесів біосинтезу необхідне покращення цільових властивостей ціанобактерій, підвищення активності продуцентів порівняно з вихідними штамами. З цієї точки зору, надзвичайно перспективними є генетичні маніпуляції з клітинами ціанобактерій з використанням експресії або інактивації власних генів. Штами ціанобактерій, створені методами генної інженерії, здатні синтезувати багато хімічних речовин: спирти, діоли, ліпіди, водень та інші сполуки (Oliver et al., 2016; Rajneesh et al., 2017).

При модифікації ціанобактерій для отримання біопалива, у тому числі екологічно чистих відновлюваних ресурсів, використовують також експресію чужорідних генів (Angermayr et al., 2009).У процесі фотосинтезу модифіковані клітини ціанобактерій поглинають із навколишнього середовища вуглекислоту та трансформують її в один із видів біопалива (алкани – гептадекан та пентадекан, бутанол, етанол, ізопреноїди). Інтерес до біопалива, отриманого за допомогою ціанобактерій, настільки великий, що, незважаючи на надмірно високу вартість кінцевого продукту, у деяких країнах (наприклад, у Бразилії) ціанобактерії вже використовують для його виробництва (De Oliveira et al., 2020).

Слід зазначити, що створення ефективних та економічних виробництв на основі ціанобактерій потребує додаткових досліджень. Процеси збирання біомаси ціанобактерій та отримання з неї біопалива, як і інших сполук, надзвичайно складні. В даний час запропоновані різні методи відокремлення біомаси, включаючи центрифугування, флокуляцію, мембранну фільтрацію, ультразвуковий поділ. Руйнування клітин ціанобактерій може бути досягнуто фізичними, хімічними та ферментативними методами, проте багато методів виявляються неприйнятними через високі витрати на їх реалізацію (Parmar et al., 2011, Sheng et al., 2012). Найбільш економічні за широкомасштабного виробництва фізичні методи.

ІМОБІЛІЗАЦІЯ ЦІАНОБАКТЕРІЙ

У природних умовах ціанобактерії існують у тісній взаємодії з іншими організмами, у співтоваристві з якими вони часто утворюють морфологічні агрегати (кластери, пластівці, гранули), а також складніші структури – мати. Таким чином, у природі ціанобактерії, переважно, перебувають у прикріпленому стані, який можна розглядати як природну іммобілізовану форму їх існування.При цьому у співтоваристві формуються різні типи зв'язків – трофічні, захисні та інші, як це показано на прикладі ціанобактеріальних матів (Поляк, Сухаревич, 2019).

Так, виявлено принципову можливість отримання аміаку з використанням іммобілізованих на алюмоборосилікатному волокні клітин мутантів. Anabaena variabilis Kützing ex Bornet & Flahault, що виділяють у середу у процесі зростання іони амонію (Кокшарова, 2008). Aphanocapsa MN-II, іммобілізовані в альгінатних гранулах і покриті світлорозсіювальним оптичним волокном, виділяють у значних кількостях сульфатовані полісахариди (Matsunaga et al., 1996); Anabaena N-7363, іммобілізовані в 2%-ному гелі карагінану, виділяють водень, причому в кількості в 2.4 рази більше, ніж вільні клітини. для проведення процесів культивування, сприяє підвищенню стійкості культур ціанобактерій до стресових впливів.

ВИСНОВОК

Продукти метаболізму ціанобактерій відрізняються унікальним різноманіттям, багато з них володіють цінними для людини властивостями. які поки що не вдалося.Вивчення корисних для людини властивостей ціанобактерій сфокусовано на сполуках, що мають антибактеріальну, антифунгальну, протипухлинну активність, яких гостро потребує фармакологічна, харчова та інші галузі промисловості. Особливо важливим є вирішення проблеми переходу на екологічно чисте паливо, яке вже отримують з використанням ціанобактерій у невеликих обсягах у деяких країнах (наприклад, у Бразилії).

В даний час виробництво біологічно активних речовин з використанням ціанобактерій через недостатню вивченість і високу вартість є скоріше потенційним і перспективним напрямом, ніж реальністю. Відповідно, виявлення нових природних сполук – продуктів метаболізму ціанобактерій, та нових шляхів їх біосинтезу, як і раніше, залишається важливим завданням. В останні роки здійснюється ревізія таксономічного положення ціанобактерій, що синтезують біологічно активні сполуки з корисними властивостями, але геноми багатьох штамів-продуцентів поки що не визначені. Наявні дані свідчать про актуальність подальших багатопланових досліджень, що враховують величезний потенціал ціанобактерій та необхідність зниження вартості процесів отримання їхньої біомаси та метаболітів.

Де зустрічаються ціанобактерії? Допоможіть!

Ціанобактерії зустрічаються в різноманітних прісних та солоних водоймищах, входять до складу планктону та бентосу, а також ростуть на каменях, скелях, у ґрунті та гарячих джерелах.

Дослідження опубліковано в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ціанобактерії, яких раніше відносили до рослин під назвою синьо-зелені водорості, зустрічаються у всіх місцеперебуваннях на планеті — у прісній та солоній воді, у ґрунті, у складі лишайників, а також можуть утворювати бактеріальні мати.2 жовт. 2018 р.