УМОВИ НАКОПИЧЕННЯ α-ТОКОФЕРОЛУ В КЛІТИНАХ МІКРОВОДОРОСТЕЙ

Автор(и)

  • В. М. Мокросноп Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України, Ukraine
  • О. К. Золотарьова Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН України, Ukraine

DOI:

https://doi.org/10.18524/2307-4663.2021.2(52).223991

Ключові слова:

мікроводорості, α-токоферол, двоетапне культивування

Анотація

До теперішнього часу рослинні олії є основним природним джерелом вітаміну E. Серед сполук групи вітаміну Е найбільшу біологічну активність має α-токоферол, вміст якого в рослинних оліях відносно невеликий. Значно більш високі концентрації α-токоферолу (до 4-6 мг/г сухої ваги) накопичують деякі мікроводорості, такі як Euglena gracilis, Dunaliella tertiolecta, Nannochloropsis oculata, Tetraselmis suecica та ін. Через це останнім часом зростає інтерес до біотехнології мікроводоростей з метою отримання сировини для виробництва вітамінів. Накопичення токоферолів у біомасі Euglena gracilis відбувається найефективніше за умов міксотрофного культивування. Розчинний у ліпідах α-токоферол є компонентом неензиматичної антиоксидантної системи і виконує функцію захисту клітинних  мембран від активних форм кисню і вільних радикалів. В результаті багатьох досліджень встановлена залежність рівня накопичення  α-токоферолу від умов культивування мікроводоростей, включаючи інтенсивність світла, фотоперіод, рівень азоту, температуру, тип вуглецевого живлення і т.і. При цьому, стресові умови стимулюють накопичення антиоксидантів в фотосинтезуючих організмах, але обмежують нормальну швидкість їхнього росту. Проблема збільшення виходу токоферолів вирішується  в системах двоетапного культивування через розділення у часі стадії накопичення біомаси і стадії стимуляції біосинтезу α-токоферолу. Підвищення вмісту токоферолу  при цьому досягається завдяки введенню екзогенних джерел вуглецю на етапі накопичення біомаси і лімітування живильного середовища за деякими біогенними елементами на етапі стимуляції синтезу антиоксиданту. В огляді наведені дані про вплив температури, рівня освітлення, а також розглянуто стратегію генетичної модифікації рослин, що сприяє підвищенню вмісту активного вітаміну Е.

Посилання

Abd El-baky HH, El Baz FK, El-Baroty GS. Production of antioxidant by the green alga Dunaliella salina. Int. J. Agric. Biol. 2004; 6: 49-57.

Abd El-baky HH, El Baz FK, El-Baroty GS. Enhancement of antioxidant production in Spirulina platensis under oxidative stress // Acta Physiol. Plant. 2009; 31: 623–631.

Afiukwa CA, Ogbonna JC. Effects of mixed substrates on growth and vitamin production by Euglena gracilis. Afr. J. Biotechnol. 2007; 6: 2612-2615.

Carballo-Cárdenas EC, Tuan PM, Janssen M, Wijffels RH. Vitamin E (α-tocopherol) production by the marine microalgae Dunaliella tertiolecta and Tetraselmis suecica in batch cultivation. Biomol. Eng. J. 2003; 20(4-6): 139-147.

Čamagajevac IŠ, Pfeiffer TŽ, Maronić D Š. Abiotic stress response in plants: the relevance of tocopherols. In Antioxidants and antioxidant enzymes in higher plants (pp. 233-251). 2018. Springer, Cham.

De Roeck-Holtzhauer Y, Quere I, Claire C. Vitamin analysis of five planktonic microalgae and one macroalga. J. Appl. Phycol. 1991; 3(3): 259-264.

Durmaz Y. Vitamin E (α-tocopherol) production by the marine microalgae Nannochloropsis oculata (Eustigmatophyceae) in nitrogen limitation. Aquaculture. 2007; 272: 717-722.

Fritsche S., Wang X., Jung C. Recent advances in our understanding of tocopherol biosynthesis in plants: an overview of key genes, functions, and breeding of vitamin E improved crops. Antioxidants. 2017; 6(4): 99.

Fujita T, Aoyagi H, Ogbonna JC, Tanaka H. Effect of mixed organic substrate on α-tocopherol production by Euglena gracilis in photoheterotrophic culture. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2008; 79(3):371-378.

Gissibl A, Sun A, Care A, Nevalainen H, Sunna A. Bioproducts from Euglena gracilis: Synthesis and applications. Front. Bioeng. Biotechnol. 2019; 7:108.

Goiris K, Van Colen W, Wilches I, León-Tamarizc F, De Cooman L, Muylaertb K. Impact of nutrient stress on antioxidant production in three species of microalgae. Algal res. 2017; 7: 51-57.

Grimm P, Risse JM, Cholewa D, Müller JM, Beshay U, Friehs K, Flaschel E. Applicability of Euglena gracilis for biorefineries demonstrated by the production of α-tocopherol and paramylon followed by anaerobic digestion. J. Biotechnol. 2015; 215: 72-79.

Hasan MT, Sun A, Mirzaei M, Te'o J, Hobba G, Sunna A, Nevalainen H. A comprehensive assessment of the biosynthetic pathways of ascorbate, α-tocopherol and free amino acids in Euglena gracilis var. saccharophila. Algal res. 2017; 27: 140-151. http://dx.doi.org/10.1016/j.algal.2017.08.029

Häubner N., Sylvander P., Vuori K., Snoeijs P. Abiotic stress modifies the synthesis of alpha- tocopherol and beta- carotene in phytoplankton species. J, phycol. 2014; 50(4):753-759.

Herrero C, Abalde J, Fábregas J. β-Carotene, vitamin C and vitamin E content of the marine microalga Dunaliella tertiolecta cultured with different nitrogen sources. Bioresour Technol. 1991; 38: 121-125.

Kottuparambil S, Thankamony RL, Agusti S. Euglena as a potential natural source of value-added metabolites. A review. Algal Res. 2019; 37. P. 154-159.

Kusmic C, Barsacchi R, Barsanti L, Gualtieri P, Passarelli V. Euglena gracilis as source of the antioxidant vitamin E. Effects of culture conditions in the wild strain and in the natural mutant WZSL. J.Appl. Phycol. 1998; 10 (6):555-559.

López-Hernández JF, García-Alamilla P, Palma-Ramírez D, Álvarez-González CA, Paredes-Rojas JC, Márquez-Rocha FJ. Continuous microalgal cultivation for antioxidants production. Molecules. 2020; 25(18):41-71.

Maeda H, Song W, Sage TL., Della Penna D. Tocopherols play a crucial role in low-temperature adaptation and phloem loading in Arabidopsis. The Plant Cell. 2016; 18(10): 2710-2732.

Marquardt D, Williams JA., Kučerka N, Atkinson J, Wassall SR., Katsaras J, Harroun, TA. Tocopherol activity correlates with its location in a membrane: a new perspective on the antioxidant vitamin E. J. Amer. Chem. Soc. 2013; 135(20): 7523-7533.

Mendiola JA, García-Martínez D, Rupérez FJ, Martín-Álvarez PJ, Reglero G, Cifuentes A, Barbas C, Ibanez E, Señoráns FJ. Enrichment of vitamin E from Spirulina platensis microalga by SFE. J. Supercrit. Fluids. 2008; 43(3):484-489.

Mokrosnop VM, Zolotareva EK, Polishchuk OV. Accumulation of α-tocopherol and β-carotene in Euglena gracilis cells under autotrophic and mixotrophic culture conditions. Appl. Biochem. Microbiol. 2016; 52. P. 216-221.

Mokrosnop V. Functions of tocopherols in the cells of plants and other photosynthetic organisms. Ukr. Biochem. J. 2016; 86: 26-36.

Mudimu O, Koopmann IK, Rybalka N, Friedl T, Schulz R, Bilger W. Screening of microalgae and cyanobacteria strains for α-tocopherol content at different growth phases and the influence of nitrate reduction on α-tocopherol production. J.Appl. Phycol. 2017; 29(6):2867-2875.

Ogbonna JC. Microbiological production of tocopherols: current state and prospects. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2009; 84(2):217-225.

Ogbonna JC, Tomiyama S, Tanaka H. Production of α-tocopherol by sequential heterotrophic-photoautotrophic cultivation of Euglena gracilis. J. Biotechnol. 1999; 70: 213-221.

O'Neill EC, Trick M, Hill L, Rejzek M, Dusi RG, Hamilton CJ, Zimba PV, Henrissat B, Field RA. The transcriptome of Euglena gracilis reveals unexpected metabolic capabilities for carbohydrate and natural product biochemistry. Mol. BioSyst. 2015; 11 (10):2808-2820.

Ruggeri BA, Gray RJ, Watkins TR, Tomlins RI. Effects of low-temperature acclimation and oxygen stress on tocopheron production in Euglena gracilis Z. Appl. Environment. Microbiol. 1985; 50(6): 1404-1408.

Rodríguez-Zavala JS, Ortiz-Cruz MA, Mendoza-Hernández G, Moreno-Sánchez R. Increased synthesis of α- tocopherol, paramylon and tyrosine by Euglena gracilis under conditions of high biomass production. J. Appl. Microbiol. 2010; 109(6): 2160-2172.

Sakuragi Y, Maeda H, Della Penna D, Bryant DA. a-Tocopherol plays a role in photosynthesis and macronutrient homeostasis of the cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803 that is independent of its antioxidant function. Plant Physiol. 2006; 141: 508–521.

Santiago-Morales IS, Trujillo-Valle , Márquez-Rocha FJ, López-Hernández JF. Tocopherols, Phycocyanin and Superoxide Dismutase from Microalgae: As Potential Food Antioxidants. Appl. Food Biotechnol. 2018; 5, 19–27.

Shigeoka S, Onishi T, Nakano Y, Kitaoka S. The contents and subcellular distribution of tocopherols in Euglena gracilis. Agricult. Biol. Chem. 1986: 50(4): 1063-1065.

Sivakumar G, Jeong K, Lay JO. Biomass and RRR-α-tocopherol production in Stichococcus bacillaris strain siva2011 in a balloon bioreactor. Microb. cell factories. 2014; 13(1):79.

Takeyama H, Kanamaru A, Yoshino Y, Kakuta H, Kawamura Y, Matsunaga T. Production of antioxidant vitamins, β-carotene, vitamin C, and vitamin E, by two- step culture of Euglena gracilis Z. Biotechnol. Bioeng. 1997; 53(2):185-190.

Tani Y, Tsumura H. Screening for tocopherol-producing microorganisms and α-tocopherol production by Euglena gracilis Z. Agricult. Biol. Chem. 1989; 53(2), 305-312.

Tossavainen M, Lahti K, Edelmann M, Eskola R, Lampi A. M, Piironen V, Korvonen P, Ojala A, Romantschuk M. Integrated utilization of microalgae cultured in aquaculture wastewater: wastewater treatment and production of valuable fatty acids and tocopherols. J. Appl. Phycol. 2017; 31(3): 1753-1763.

Valentin HE, Qungang Q. Biotechnological production and application of vitamin E: current state and prospects. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2005; 68: 436-444.

Vismara R, Vestri S, Kusmic C, Barsanti L, Gualtieri P. Natural vitamin E enrichment of Artemia salina fed freshwater and marine microalgae. J. Appl. Phycol. 2003; 15(1): 75-80.

Wang Y, Seppänen-Laakso T, Rischer H, Wiebe MG. Euglena gracilis growth and cell composition under different temperature, light and trophic conditions. PLoS ONE. 2018; 13(4): e0195329. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195329

Yuan P, Cui S, Liu Y, Li J, Du G, Liu L. Metabolic engineering for the production of fat-soluble vitamins: advances and perspectives. Applied Microbiol. Biotechnol. 2019; 104(3):935-951.

##submission.downloads##

Опубліковано

2021-09-29

Номер

Розділ

ОГЛЯДОВІ ТА ТЕОРЕТИЧНІ СТАТТІ