19.01.2015

Мутант хламидомонады – суперпродуцент дзета-каротина

Одноклеточные зеленые водоросли уже несколько десятилетий используются в фотобиотехнологии как источник биомассы и физиологически активных соединений – белков, липидов, пигментов и витаминов. Особый интерес представляет собой одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада (Chlamydomonas reinhardtii dang.) – продуцент биологически активных соединений, в частности каротиноидов. Особая ценность хламидомонады как продуцента каротинов состоит в высоком содержании пигментов на единицу сырой биомассы: две трети клетки – хлоропласт (см. рисунок).

Сейчас в фотобиотехнологии в большей степени распространен каротиноид бета-каротин. Его получают как из клеток зеленых водорослей (Chlorella, Scenedemus), так и из высших растений (морковь и др.). Некоторые биохимические и биофизические исследования показывают, что дзета-каротин может быть более эффективным препаратом, чем бета-каротин. С бета-каротином сложностей нет, а естественных продуцентов дзета-каротина в природе нет – его можно получить только с помощью искусственного мутагенеза, блокировав цепь биосинтеза каротиноидов на раннем этапе – на уровне дзета-каротина.

Такой мутант хламидомонады и получен автором – воздействием g-излучения на клетки исходного дикого типа (авторское свидетельство № 1289064). Он не имеет аналогов в мире. Мутант высокостабилен, доля дзета-каротина составляет 38% от суммы каротинов, у него высокая продуктивность. Известные дзета-каротиновые мутанты высших растений накапливают максимум 5% дзета-каротина, и они, как правило, летальные.

Каротиноиды исследовали методом тонкослойной хроматографии. Клетки исходного, дикого типа хламидомонады накапливали 17-23% каротинов от суммарного содержания всех каротиноидов: альфа-каротина – 4-7%, бета-каротина – 93-96%. В клетках мутанта доля каротинов составляла 31-38% всех каротиноидов. Мутант утратил способность синтезировать альфа-каротин и накапливал 40-47% бета-каротина, 17-22% бета-зеакаротина и 33-41% дзета-каротина.

Помимо каротинов в клетках хламидомонады накапливалось шесть основных ксантофиллов, четыре из них – виолаксантин, антераксантин, зеаксантин и неоксантин – производные бета-каротина, а два – лютеин и лороксантин – производные альфа-каротина. Анализ ксантофиллов показал, что в клетках исходного дикого типа их около 80%, а в клетках мутанта – около 65% суммарного содержания каротиноидов. В клетках исходного дикого типа присутствовало 52% производных бета-каротина и 48% – альфа-каротина, в клетках мутанта – только производные бета-каротина.

При культивировании в жидкой среде (содержащей ацетат натрия) выход сырой биомассы составлял 5-10 г/л. Когда концентрация солей была увеличена в 5 раз, то время одного клеточного деления сократилось с 10-12 до 6 часов, выход биомассы удвоился, а содержание хлорофиллов, каротинов и ксантофиллов в пересчете на клетку практически не изменилось.

Накопление максимального количества биомассы и пигментов как в клетках исходного дикого типа, так и в клетках мутанта, наблюдалось в условиях длительного культивирования в ацетатной среде при освещенности 15 тыс. люкс. Клетки стационарной фазы роста отбирали через 5-6 суток, когда они достигали максимального размера и практически прекращали деление. Сухая биомасса клеток исходного дикого типа достигала 70 мкг, а мутанта – 57 мкг на 10 млн клеток.

Эти результаты позволили определить динамику накопления биомассы и показать, что ее достаточно, чтобы получать препараты дзета-каротина и оценить их эффективность для лечения онкологических заболеваний и для повышения стрессоустойчивости клеток животных и человека при воздействии g-излучения и коротковолнового ультрафиолета. Анализ выживаемости клеток показал, что значительное накопление дзета-каротина в клетках мутанта повышало в 1,5 раза их устойчивость к действию γ-излучения и в 5-10 раз – к действию коротковолнового ультрафиолета (УФ-С). Если экспериментально подтвердится более высокая эффективность дзета-каротина при лечении раковых заболеваний, то можно рекомендовать мутант – суперпродуцент дзета-каротина для решения задач медицины и фармакологии.

Дзета лучше бета

Важное преимущество дзета-каротина перед бета-каротином (предшественником витамина А) в том, что он не обладает провитаминной активностью и потому не вызывает отрицательных эффектов в высокой концентрации. Кроме того, дзета-каротин легче проникает в клетки и ткани животных и человека.

Каротиноиды используются:

• в пищевой промышленности - для окрашивания в желтый и оранжевый цвет разной интенсивности и витаминного обогащения самых разных продуктов: кондитерских изделий, масел, маргаринов, напитков, зерновых завтраков и т. д.;
• в медицине и фармакологии - в составе препаратов, имеющих антиоксидантное, радиопротекторное, антимутагенное, иммуномодулирующее, антиканцерогенное (могут замедлять рост злокачественных клеток) и антиинфекционное действие.

Каротиноиды лютеин и зеаксантин играют особую роль в профилактике возрастной потери зрения.

Дзета-каротин может иметь более высокую, чем бета-каротин, эффективность в противоопухолевой терапии.

Источники:

1. минобрнауки.рф