Мутант хламидомонады — суперпродуцент дзета-каротина
Генетика
Одноклеточные зеленые водоросли уже несколько десятилетий используются в фотобиотехнологии как источник биомассы и физиологически активных соединений — белков, липидов, пигментов и витаминов. Особый интерес представляет одноклеточная зеленая водоросль хламидомонада (Chlamydomonas reinhardtii dang.) — продуцент биологически активных соединений, в частности каротиноидов. 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 исследования показывают, что дзета-каротин может быть более эффективным, 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 уровне дзета-каротина. Такой мутант хламидомонады и получен автором — воздействием ?-излучения на клетки исходного дикого типа (авторское свидетельство N 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.
Состав
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.
Продуктивность
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 y-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 y-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
Рисунок: Тимофей Яржомбек
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:
Рисунок: Тимофей Яржомбек
- в пищевой промышленности — для окрашивания в желтый и оранжевый цвет кондитерских изделий, масел, напитков, зерновых завтраков и т. д.
— в медицине и фармакологии — в составе препаратов, имеющих антиоксидантное, радиопротекторное, антимутагенное, иммуномодулирующее, антиканцерогенное 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.