FAQ: Физиология микроводорослей

Микроводоросли — это морские и пресноводные микроорганизмы, состоящие из одной эукариотической клетки. Раньше к сине-зеленым водорослями относили и цианобактерии. Позднее, однако, сошлись на том, что цианобактерии не имеют ядра, следовательно, являются прокариотами и относятся все-таки к бактериям, а не к водорослям. В настоящее время существует множество видов эукариотических одноклеточных микроорганизмов. Сравнить их многообразие можно с многообразием насекомых.

1. Полиненасыщенные жирные кислоты

Количество соединений, которые могут синтезировать эти водные микроорганизмы, очень велико, и некоторые еще до сих пор не изучены. Такое многообразие метаболитов формирует потенциал для использования микроводорослей и цианобактерий в пищевой, фармацевтической промышленности.

Микроводоросли считаются и являются продуктивными производителями полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК). Эти кислоты необходимы человеку в качестве предшественников нейромедиаторов, простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов, которые регулируют кровяное давление, воспалительные реакции, свертываемость крови и др. Человеческий организм не может синтезировать такие кислоты самостоятельно. Для получения ПНЖК нам необходимо употреблять в пищу жирную рыбу, рыбий жир. Причем рыбы, богатые жиром с ПНЖК, тоже не могут синтезировать ПНЖК сами. Их синтезируют микроводоросли. Пищевая цепь для ПНЖК начинается с их синтеза микроводорослями с использованием присущих им метаболических путей. В основном это относится к синтезу так называемых омега-3 ПНЖК — эйкозапентаеновой и докозагексаеновой жирных кислот, которые на аптечных этикетках обычно именуются аббревиатурами EPA и DHA в соответствии с английскими названиям. Высокой производительностью синтеза этих кислот отличаются красные и золотистые водоросли. (Впрочем, систематика микроводорослей постоянно совершенствуется, и то, что ранее считалось «золотистым», сегодня может быть выделено в отдельную группу). Затем микроводоросли поедаются мелкой рыбой с вегетарианскими предпочтениями, которой потом питаются более крупные хищные особи. В конце концов рыбий жир, богатый омега-3 ПНЖК (изначально синтезированными микроводорослями), в виде икры или крупной рыбы приходит к нам на стол. Или в аптеку — в виде жидкого (дешевого) или капсулированного (дорогого) рыбьего жира с разнообразными привлекательными названиями. Задачей физиологии микроводорослей является изучение путей биосинтеза ПНЖК у разных видов и условий культивирования, необходимых для высокого выхода конечного продукта. А одной из задач биотехнологии микроводорослей является получение нужных человеку ПНЖК по упрощенной схеме, минующей «рыбную стадию» и сокращающей путь производства и реализации продукта до двухстадийного: микроводоросли — аптека.

Williams C.M. 2000. Dietary fatty acids and human health. Ann. Zootech. 49: 165-180.

Владимирова М.Г., Семененко В.Е. 1962. Интенсивная культура одноклеточных водорослей. М., АН СССР, 60 с.

2. Влияние жирных кислот на организм человека

Многими международными организациями здравоохранения рекомендованы препараты с содержанием омега-3 жирных кислот для профилактики сердечно-сосудистых заболеваний, тромбозов, для нормального развития нервной системы. Последние исследования показали, что жирные кислоты, которые могут синтезировать микроводоросли, необходимы для нормальной работы сердца.

В начале 80-х годов ученые добрались до отдаленных районов Гренландии с целью оценки состояния здоровья местных эскимосов. Как известно, диета эскимосов состоит (точнее, состояла до прихода в те места цивилизации и глобализации) из калорийной и жирной пищи, но при этом они употребляли еще и большое количество рыбы, богатой омега-3 ПНЖК. Оказалось, что в исследуемой популяции эскимосов сердечно-сосудистые заболевания встречались статистически реже по сравнению с уже глобализированным населением. Этот профилактический эффект диеты был связан с потреблением омега-3 ПНЖК. Позже экспериментальным путем было доказано, что частое употребление омега-3 ПНЖК значительно уменьшает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Теперь эти препараты прописываются врачами для постинфарктного восстановления или профилактики сердечных заболеваний.

Дискуссии об эффектах и пользе омега-3 ПНЖК для жизнедеятельности человеческого организма не утихают до сих пор. Появляются работы, якобы опровергающие полученные ранее данные о пользе этих кислот и их роли в профилактике сердечно-сосудистых заболеваний. Особенно удивительными выглядят современные попытки ревизии положительного эффекта омега-3 ПНЖК при исследовании тех же эскимосов и/или алеутов, которые давно уже перешли на потребление гамбургеров и пиццы. Так или иначе, даже отчаянные критики признают, что полученные в 80-х годах результаты экспериментально и статистически достоверны. Повторить эти результаты в нашем глобализированном мире, увы, уже не представляется возможным.

В развитых странах Западной Европы и США (по этим странам имеются достоверные данные) в настоящее время наблюдается общее снижение потребления рыбы и рыбьего жира с высоким уровнем омега-3 ПНЖК и резкое увеличение потребления продуктов с повышенным содержанием омега-6 ПНЖК (растительное масло, мясо и птица, выращенные на зерновых кормах). По некоторым оценкам текущее соотношение ПНЖК в рационе смещено в 30 раз в сторону омега-6. Такой дисбаланс жирных кислот в организме человека не может не вызывать разнообразные последствия, включая скачки уровня тяжких преступлений и самоубийств. Имеющиеся данные показывают, что недостаток EPA и DHA увеличивает риск эмоционального стресса, импульсивность, гнев, провоцирует суицидальное поведение. Напротив, достаточное потребление этих ПНЖК способствует формированию состояния уравновешенности и удовлетворения. Клинические испытания показали значительную антидепрессантную эффективность омега-3 ПНЖК у пациентов с перепадами настроения и агрессивным поведением. Эти результаты (и многие другие) показывают огромную роль омега-3 ПНЖК в регуляции психического здоровья и поведения личности, а также заставляют задуматься о необходимости продуманного сбалансированного профилактического питания.

Различные ПНЖК используются и в косметике в составе липидов как смягчающие и увлажняющие вещества, антиоксиданты, кондиционеры кожи, а также как антибактериальные агенты. Стандартные линолевая и линоленовая кислоты влияют на обменные процессы кожи, способствуют проникновению в кожу жирорастворимых витаминов А и Е и восстановлению барьерных свойств эпидермиса. Сейчас наряду с существующими традиционными композициями активно применяются липосомы и твердые наночастицы липидов, которые представляют собой перспективные системы носителей для косметически активных ингредиентов. Источники масла и жирных кислот, используемых в косметике, весьма разнообразны. Они могут быть получены из микроводорослей, бактерий, растений, грибов, животных. Примерами широко используемых природных источников масла являются миндаль, абрикос, авокадо, макадамия, оливки, сафлор, кунжут, соя, грецкий орех, зародыши пшеницы, клещевина. Эти масла главным образом состоят из триглицеридов, но также содержат другие липофильные вещества, такие как свободные жирные кислоты, жирные спирты, витамины и фитостерины. Касторовое масло, получаемое из клещевины, богато рицинолеиновой кислотой и используется для кондиционирования кожи, стабилизации эмульсий и поверхностно-активных растворов. Фунгицидная ундециленовая кислота тоже получается из касторового масла, которое незаменимо при изготовлении губной помады (80% всего добываемого в мире касторового масла уходит на изготовление губных помад). На современных фармакологических рынках имеется несколько композиций, содержащих липиды и ПНЖК в качестве активных веществ. Проводится огромное количество исследований, направленных на изучение физико-химических и терапевтических свойств разных липидов и жирных кислот. В принципе, все перечисленные жирные кислоты можно получить из микроводорослей. Поэтому последние рассматриваются не только как непосредственные продуценты тех или иных полезных веществ, но и как потенциальные платформы для промышленного производства генно-инженерных (дизайнерских) жирных кислот с заданными свойствами.

Naylor et al. 2009. Feeding aquaculture in an era of finite resources. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106: 15103-15110.

3. Питательные трансгены

С начала 60-х годов проведено огромное количество исследований механизмов синтеза соединений, продуцируемых микроводорослями. Сегодня мы находимся в очень выгодных условиях, поскольку знаем множество деталей о молекулярных и биохимических путях биосинтеза. Эти биохимические пути мы можем реконструировать с использованием генов, которые отвечают за индивидуальные стадии синтеза того или иного соединения, и переносить, допустим, в высшие растения, которые можно выращивать на полях в массовом количестве. В таком случае мы можем получать трансгены, которые можно есть и которые содержат необходимые нам вещества.

При наличии предубеждений в отношении ГМО масла, богатые омега-3 ПНЖК, можно получать стандартными методами очистки из микроводорослей. Эти ПНЖК свободны от примесей и загрязнений, но пока стоят дорого, что и ограничивает их массовое использование. Существуют и законодательные препятствия для использования таких жирных кислот в медицине и для производства пищевых продуктов. Удивительно, что одно и то же вещество с одинаковой формулой, но полученное из разных источников, по-разному оценивается просвещенной общественностью, имеющей отношение к законотворчеству: рыбий жир, напичканный потенциальными канцерогенами из морских вод, — можно, а чистый продукт из микроводорослей, выращенных в контролируемых биореакторах (непривычный альтернативный источник), — нельзя. Продукт химического синтеза с заданной формулой — можно, а продукт биоинженерии с такой же формулой — нельзя.

Удачным примерами применения генной инженерии для получения EPA и DHA в растениях можно считать модельные эксперименты с использованием Arabidopsis в качестве платформы. Эти омега-3 ПНЖК требуют для синтеза два основных класса ферментов: элонгазы и десатуразы жирных кислот, которые, соответственно, удлиняют цепь жирных кислот и образуют в них ненасыщенные двойные связи. В экспериментах были использованы гены элонгазы золотистой водоросли Isochrysis, а также специфических десатураз зеленой водоросли Euglena и почвенного гриба Mortierella. Листья измученного трансгенезом арабидопсиса содержали несвойственные им 7% арахидоновой и 3% эйкозапентаеновой кислот. При этом сами эти растения все еще нормально росли и развивались. Еще более впечатляющие успехи в деле синтеза длинных ПНЖК в растениях были достигнуты путем сборки пути их биосинтеза в сое. Экспрессия в семенах сои элонгазы и десатуразы из гриба Mortierella вместе с десатуразами из Arabidopsis и пресноводного плесневого грибка Saprolegnia обеспечивала накопление в соевом масле до 20% EPA (от суммы всех жирных кислот масла). Кроме того, последующее добавление еще одной элонгазы из микроводоросли Monochrysis и дополнительной десатуразы из протиста Schizochytrium привело к накоплению в этом масле до 3% DHA.

Возможности генетической инженерии (в том числе и по части воспроизводства путей биосинтеза нужных человеку ПНЖК) уже превосходят ожидания, и некоторые пути биосинтеза можно воспроизводить подобно детскому конструктору из различных известных генетических блоков. Тем не менее не следует пренебрегать и возможностями биотехнологии микроводорослей, позволяющей культивировать эти микроорганизмы в контролируемых условиях для последующей очистки желаемого конечного продукта. Последний подход позволяет не только производить продукты без помощи ГМО, но и сохранить посевные площади, используемые для традиционных сельскохозяйственных культур, важность и значимость которых для человечества пока никто не отменял.

Dyerberg J., Bang H.O., Stoffersen E., Moncada S., Vane J.R. 1978. Eicosapentaenoic acid and prevention of thrombosis and atherosclerosis? Lancet 2: 117-119.

4. Использование микроводорослей в космических системах жизнеобеспечения

Исследования физиологии микроводорослей и их возможного биотехнологического использования стали развиваться в связи с развитием космонавтики в СССР. Когда люди начали мечтать о длительных космических полетах, появились задачи, требующие технологических решений: как обеспечить космические станции кислородом, как убрать углекислоту, как накормить космонавта, как утилизировать отходы, которые на станции так или иначе должны образовываться? Для этой цели было предложено использовать микроводоросли, в частности хлореллу, способную быстро расти, накапливать биомассу для питания, выделять кислород, поглощать СО2. Так были выполнены пионерские работы — сконструированы и построены фотобиореакторы для космических полетов. Хлорелла (и не только она) побывала на орбите и вернулась на Землю, счастливая и готовая к дальнейшему изучению. Сейчас станции на биологической основе рециркуляции воздуха не используются, поскольку в ходу химические батареи, регенерирующие воздух. По расчетам, сделанным в 2010 году, использование биологических систем рециркуляции и очистки будет рентабельным при использовании масштабных станций, если длительность полета будет превышать 2–2,5 года. То есть если мы мечтаем о каких-то крупных космических станциях закрытого типа, находящихся на других планетах или долгое время на орбите, то мы можем думать об использовании биологических систем жизнеобеспечения. Основным компонентом таких станций будут микроводоросли.

Семененко В.Е., Владимирова М.Г. 1961. Влияние условий космического полета на корабле-спутнике на сохранение жизнеспособности культуры хлореллы. Физиология растений 8(6): 743-749.

5. Баланс питательных веществ в микроводорослях

Хлореллу (не путать с холерой!) — одну из самых известных микроводорослей — можно употреблять в пищу напрямую, без дополнительной обработки, но баланс белка и углеводов в ее клетках составляет примерно 50 к 30%. Такой баланс подходит для спортивного питания, когда человек хочет сбросить вес, укрепить мышцы. Для обычного питания это соотношение должно быть диаметрально противоположным. И микроводоросли в данном случае готовы к сотрудничеству. Можно подобрать условия культивирования и обеспечить хлорелле такие условия роста, в которых питательные вещества в ее биомассе будут оптимально сбалансированы для обычного питания. Например, если убрать азот из среды культивирования, то содержание белка снизится, а количество углеводов повысится как раз до той самой нормы, которую можно употреблять человеку в качестве обычной пищи, в которой достаточно и калорий, и питательных веществ, чтобы обеспечить нормальную диету. Поэтому для космонавтов микроводоросли прекрасно подходят в качестве альтернативного или даже основного источника пищи.

Hibbeln J.R. 2009. Depression, suicide and deficiencies of omega-3 essential fatty acids in modern diets. World Rev. Nutr. Diet. 99: 17-30.

6. Перспективы

В ближайшие годы следует ожидать появления работ по получению инженерных ферментов, способных образовывать двойные связи в необычных положениях, способствующих получению ПНЖК с заданными терапевтическими свойствами. Кроме того, возможны работы по созданию ферментов «двойного назначения» (десатураз-эпоксидаз или десатураз-оксигеназ и т. п.) со строго заданной специфичностью. В качестве носителей модифицированных путей биосинтеза полезных соединений следует рассматривать микроводоросли. Сегодня в мире растет интерес к микроводорослям, их физиологическому, биохимическому и биотехнологическому потенциалу. Предпринимаются многочисленные попытки реанимировать и просто повторить результаты, полученные ранее и значительно опередившие свое время. Предложенные в 60–80-х годах прошлого века решения и экспериментальные подходы теперь лежат в русле современной концепции «Зеленой планеты», которая предполагает, что все необходимое для человека можно будет получать в фотосинтезирующих клетках за счет энергии Солнца.

Лось Д. А. 2014. Десатуразы жирных кислот. М.: Научный Мир, 372 с.

Цоглин Л.Н., Пронина Н.А. 2012. Биотехнология микроводорослей. М.: Научный Мир, 182 с