Biotechnologie sinic a řas „Biotechnologie – technologie využívající biologické systémy, živé organizmy nebo jejich části k určité výrobě nebo jejich přeměně či jinému specifickému použití.“
Miloslav Kitner Katedra botaniky PřF UP Laboratoř molekulárních markerů Šlechtitelů 11, Olomouc - Holice
Osnova přednášky 1. Přehled využívání S + Ř člověkem (historie-současnost)
2. Hlavní produkty kultivace S + Ř
3. Kultivace mikroskopických řas - přirozená stanoviště - otevřené systémy - uzavřené systémy
4. Kultivace makroskopických řas 5. Toxiny sinic a řas
sinice
= cyanobakterie = cyanoprokaryota
- fotosyntetizující gramnegativní eubakterie - cyanoprokaryota – botanika (nejstarší skupina organismů s FTS) - cyanobakterie – ekologie, mikrobiologie, toxikologie. - velikost buněk - 1-10 um - jednobuněčné, vláknité nebo koloniální - artrospory = akinety (překonání nepříznivých podmínek) - heterocyty (fixace molekulárního dusíku)
- ekologie: prakticky všechny biotopy (horká vřídla, Antarktida, odpadní vody) - produkce řady látek, kterými mohou ovlivňovat své okolí (oligosacharidy, organické kyseliny, peptidy, hormony, enzymy, antibiotika, polysacharidy, ale také pachy, pachutě a toxiny)
řasy - necévnaté, fotosyntetizující rostliny, obsahující chlorofyl, s jednoduchými rozmnožovacími strukturami V ČR žije kolem 7 - 8 tisíc druhů řas (cévnatých, vyšších rostlin je podle DOSTÁLa 3 500 druhů). - z vývojového hlediska říkáme, že sinice jsou prokaryota (bakterie) a řasy eukaryota - tedy organizačně vyspělejší organismy (patří sem dále houby, lišejníky, rostliny, živočichové)
- stélka: 1 um – 60 m (Macrocystis pyrifera)
Sinice a řasy …..
Sinice a řasy ….. no a co má bejt?!! • Významní primární producenti: ~ 52 mld tun organicky vázaného uhlíku / rok ~ 50% -70 % organicky vázaných sloučenin / rok • Produkce kyslíku Uvádí se, že kyslík obsažený v našem každém druhém nádechu vznikl produkcí sinic a řas
• ….. Bez sinic a řas by život na Zemi neexistoval.
1) Přehled využívání sinic a řas historie - současnost
Sinice a řasy historie-současnost • Nostoc, Spirulina, Aphanizomenon - Asie, Afrika, Mexiko (Aztékové) – užívány po dlouhá staletí jako jídlo bohaté na živiny • historicky doložené zmínky o využití v potravě člověka
• 2000 př.n.l. – Nostoc - hladomor v Číně • 50 př.n.l. – „kosmetika“ Římanek
• 4-6 st.n.l - Japonsko a Čína – jídla z makroskopických řas (nori – Porphyra) • 17 st. – doložena kultivace řas r. Porphyra – Japonsko – sběr řas Chondrus, Gelidium, Gracilaria výroba produktů z agaru
•18. st. – produkce jodu a sody z hnědých řas Laminaria, Macrocystis a Fucus • použití jako hnojiva • zároveň první pokusy o jejich kultivaci
Biotechnologie 18. &19. st – pálení mořských řas - produkce sody, potaše (K2CO3), jodu
Sinice a řasy - tradiční využití • 1866 – Alfred Nobel – vynález dynamitu
• použil diatomit jako absorbent a nosič nitroglycerinu • nitroglycerin objevil r. 1847 chemik Ascanio Sobrero v Turíně
Dynamit: • vyšší stabilita proti tlaku nebo nárazu oproti samotnému nitroglycerinu • nitroglycerin je bezbarvá až nažloutlá olejovitá kapalina • mechanicky nestabilní, 50-60°C – exploze • původní název Kieselgur-dynamite (Kieselgur - německy křemelina, dynamite řecky plná síly
• diatomit - křemité schránek různých druhů rozsivek (sladkovodní i mořské) ve směsi s jílem a křemenným prachem (třetihory až současnost) • křemelina (rozsivková zemina) – nezpevněné volné schránky rozsivek (lehčené tvárnice, izolační hmoty, průmyslové filtry a oleje, tuky a ovocné šťávy)
• leštivá (diatomová) břidlice – křemelina částečně zpevněná, (vrstevnatá) stavba, používá se pro leštění kovů
rovnoběžná
Sinice a řasy – historie-současnost • počátek 20. st – průmyslové využití alginátů
• 1940 – rozvoj využívání mikroskopických řas při chovu ryb a mušlí (akvakultury) • 1960 – současnost • rozvoj technologií velkoobjemové kultivace sinic a řas • reakce demografické předpovědi vývoje lidské populace a předpoklad nedostatku potravin bohatých na bílkoviny
• výzkum produkce biomasy S+Ř pro pohonné hmoty a hnojiva – energetická krize 70´s • čištění odpadních vod s následnou konverzí biomasy na methan
Využití sinic a řas – současnost
2) Hlavní produkty kultivace S + Ř
Komerční využití produktů sinic a řas •
potraviny a potravinové doplňky - zdroj proteinů v potravě člověka (Chlorella, Spirulina)
•
krmiva - zdroj proteinů a vitamínů v krmivech pro drůbež, dobytek, prasata, ryby, mlže (ústřice)
•
léčiva - β-karoten jako možný lék proti rakovině kůže. Antibiotika při hojení ran. Kyselina γ-linoleová stimulace tvorby prostaglandinu. Regulace syntézy cholesterolu.
•
pigmenty - β-karoten pro barvení potravin a jako potravinový doplněk (provitamin A). Xantofyly v krmivu pro drůbež a ryby. Fykobiliny jako potravinářské barviva, v diagnostice, kosmetice a jako speciální chemikálie.
•
fykokoloidy - algináty, agar, karagen - potravinářský průmysl, kosmetika
• •
zdroj chemických látek- glycerol, mastné kyseliny, lipidy vosky, steroly, uhlovodíky, AK, enzymy, vitamíny C a E, polysacharidy, iontoměniče. palivo - uhlovodíky s dlouhým řetězcem, esterifikované lipidy, vodík, bioplyn
•
ostatní - biofertilizace, bioremedice, environmentální technologie
World market Mikroskopické řasy – rozvoj v posledních desetiletích – roční obrat: 1.25 x109 US $ – ročně se zpracuje 5 x103 tun – kultivace především v uměle vytvořených systémech (mělké nádrže a fotobioreaktory)
World market Makroskopické řasy (především zástupci Rhodophyta, Phaeophyta) – sklizeň v místech přirozeného výskytu nebo na konstrukcích v pobřežních vodách Příklad – trh s fykokoloidy Agar - roční produkce 7.500 tun - roční obrat 250 mil USD
Algináty - roční obrat 150 mil USD (bez trhu v Číně) Karagenany - 50.000 tun v letech 2007-2008 - obrat 600 mil USD (bez trhu v Číně)
Výstupy kultivace sinic a řas 1) Potraviny – mikroskopické řasy
-
produkce potravin z mikroskopických řas je omezena na několik druhů: - Spirulina a Chlorella – dominují na trhu - vysoký obsah proteinů, vitamínů, a minerálů, výživná hodnota - relativně snadná kultivace - prodej ve formě kapslí, tobolek, pastilek, popř. prášku doplněk stravy
-
využití dalších druhů je omezeno jednak problémy s kultivací, ale nárůstem různých „food safety“ omezení
-
nežádoucí účinky a nejvyšší přípustné denní dávky nejsou stanoveny
-
Německo – potravinový trh: chleba, pivo, jogurty, soft drinky
Hlavní pěstované druhy mikroskopických sinic a řas:
Pulz & Gross 2004 Appl. Microbiol. Biotechnol. 65
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 1) Potraviny – makroskopické řasy Potravinové výrobky z makroskopických řas
-
Čína, Japonsko, Korea, Filipíny, několik dalších asijských států
- Čína je největší producent – roční sklizeň 5 milionů tun/rok
(wet mass)
- Př. „nori“ = Porphyra spp.- např. pro přípravu sushi - obrat 1,3 mld USD / rok - Zdroj přírodních vitamínů (B, C), minerálů (Fe), bílkovin,
esenciálních mastných kyselin - ….. Pozitivní vliv na lidské zdraví
Pulz & Gross 2004 Appl. Microbiol. Biotechnol. 65
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 2) Krmivo pro zvířata - velice malé dávky mikrořas (Chlorella, Scenedesmus, Spirulina) v krmivech stimulují imunitní systém hospodářských zvířat - aditiva v krmivech drůbeže - potravinové doplňky domácích mazlíčků (pet market) - lesklá, bohatá, zdravá srst výstavních zvířat (psi, kočky, koně, papoušci…) - tradiční využití makroskopických řas - př.Ulva spp., Porphyra spp., Palmaria palmata, Gracilaria spp. -
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 3) Akvakultura (= technologie chovu měkkýšů, korýšů a ryb) • roční obrat na světovém trhu: 40-50 x 109 US $ Živé kultury řas jako potrava: - mlžů (ústřice, hřebenatky, slávky, chionka jedlá) - korýšů - ryb - zooplanktonu ~ ryb - vlastnosti: vhodná velikost stravitelnost schopnost rychlého růstu netoxické - rozsivky (Nitszschia, Thalasiosira, Navicula) - zelené ř. (Dunaliella, Tetraselmis) - kryptomonády (Rhodomonas, Chroomonas)
Chionka jedlá - Hard clam
Marcenaria marcenaria
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 4) Biofertilizery - hnojiva • použití makrořas jako hnojiv má tradici v přímořských oblastech jejich výskytu
- používají se přímo stélky makrořas nebo jejich extrakty - zlepšují vlastnosti půdy - schopnost vázat vodu, minerály, popř. vzdušný dusík - roční obrat na světovém trhu: 5 x 109 US $ - Anabaena, Nostoc – význam při pěstování rýže v tropech a subtropech – vazba vzdušného dusíku - výzkum obsahu růstových hormonů - zlepšují růst kořenů, stonků, listů, vliv na kvetení
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 5) Produkce významných látek a) esenciální mastné kyseliny = vitamín F (PUFA – polyunsaturated fatty acids) -
mikrořasy jsou primárním zdrojem vitamínu F v potravních řetězcích podstatná složka tzv. rybího tuku (v rybách se hromadí přes potravní řetězec)
-
prevence kardiovaskulárních chorob, snižuje vysoký krevní tlak zvyšování imunity protizánětlivé účinky
-
kosmetický průmysl – krémy, ethanolové extrakty – výživa a ochranné účinky
Kys. arachidonová (AA; all-cis-5,8,11,14-eicosatetraenoic acid) Kys. gamma-linolenová (GLA;all-cis-6,9,12-octadecatrienoic acid)
Kys. eikosapantaenová (EPA; all-cis-5,8,11,14,17-eicosapentaenoic acid )
Kys. dokosahexaenová (DHA; all-cis-4,7,10,13,16,19-docosahexaenoic acid)
5) Produkce významných látek b) Energeticky významné látky 1) Bioplyn: Anaerobní fermentace biomasy řas v bioplynových fermentorech - Chaluhy např. Macrocystis pro anaerobní produkci bioplynu, tj. metanu s výtěžností 0,4-0,56 m3 z kg (~ kukuřice 0,2 m3 z kg) Problémem je odpad s vysokým obsahem chloridů.
2) produkce lipidů (triacylglyceridy) - konverze na bionaftu
Př: Botryococcus braunii
koloniální zelená řasa (Trebouxiophyceae), velikost kolonií 30μm – 2mm. Typická organizace kolonií. Buňky usazeny uvnitř pohárků matrix, která je inpregnovaná lipidy (až 85% sušiny) z toho uhlovodíky tvoří (až 35 %). - tvoří vodní květy plovoucí na povrchu vody - v buňkách zřetelné olejové kapky, ty se časem uvolňují a plavou v médiu. - nízká růstová rychlost je kompenzována produkcí energeticky bohatých sloučenin
5) Produkce významných látek b) Energeticky významné látky – produkce lipidů
dávivec Jatropha curcas
řepka
světlice barvířská Carthamus tinctorius
skočec Ricinus communis
zimostráz Simmondsia chinensis
Biotechnologické výstupy kultivace sinic a řas 5) Produkce významných látek c) Polysacharidy - makrořasy: tradiční zdroj - agar, algináty, karagenany - ekonomicky nejdůležitější výrobky vůbec - gely a zahušťovadla - problémy: znečištění moří (není kontrolovaná kultivace), limity produkce - mikrořasy - rozvoj v posledních letech s pokroky ve výzkumu a biotechnologiích - transgenní kultury, protoplastové kultury, buněčné kultury makrořas
Algináty - polysacharidové extrakty buněčných stěn hnědých řas třídy Phaeophyceae: Macrocystis pyrifera, Ascophyllum nodosum a Laminaria spp. - chemické složení: kyselina alginová = polysacharid tvořený dvěma složkami – β-D-manurátem a α-L-guluronátem -hydrokoloidy, tj. vysokomolekulární látky charakterizované schopností pevně a stabilně vázat značná množství vody = 200-300 násobek hmotnosti alginátu
• dnešní využití alginátů: • aditivum k dehydratovaným látkám • výroba papíru a textilu • kosmetika • medicína – biokompatibilní gely – imobilizace buněk, enzymů • léčba hlubokých ran - alginátové krytí (alginát se při kontaktu se
sekretem rány změní v gel s vlastnostmi vlhkého krytí; současně se sekretem algináty nasávají zbytky odumřelých buněk, bakterií a hnisu a uzavírají je do vznikajícího gelu)
• stomatologie – rychle tuhnoucí otiskovací hmoty
(korunky, můstky,
snímatelné náhrady)
• potraviny, pochutiny, doplňky výživy – odtučňovací „slim“ drinks, zmrzlina (stabilizátory disperzí), zahušťovadla náplní do pečiva, rosoly, gely s vysokou stabilitou i při teplotách pečení • E 400 – kyselina alginová E 401 – alginát sodný E 402 – alginát draselný • E 404 – alginát vápenatý E 405 – propan-1,2-diol-alginát •
E 403 – alginát amonný
Agar - Ziskává se z polysacharidové buněčné stěny ruduch extrakcí horkou vodou - druhy: Gracilaria lichenoides, Gelidium sp., Euchema sp.
- Chemické složení: polygalaktan, směs agarosy a agaropektinu - Agarosa: - lineární polymer - základ agarobiosa = disacharid (D-galaktosa + 3,6-anhydro-L-galaktopyranosa)
- Agaropektin - zastoupen v menším poměru oproti agarose - jde o heterogenní směs menších molekul (řetězců agarobiosy), které jsou modifikovány kyselými sulfátovými a pyruvátovými skupinami
Agar - Chemické složení: směs agarosy a agaropektinu - Využití: - kultivační medium mikroorganismů - potravinářství: „E 406“ - zahušťující a želírující látka, - stabilizátor a emulgátor - využití při výrobě pekařských, masných, mléčných a cukrářských výrobků, želé, tavených sýr apod. - agar je považován za látku bezpečnou, bez alergických reakcí - v ČR je používání agaru povoleno v nezbytném množství ke všem potravinám s výjimkou dětské výživy - kulinářské pochoutky - ve vyšším množství se používá jako projímadlo
- čistá agarosa – molekulární biologie – separace DNA, PCR produktů
Karagenany - polysacharidy získané z mořských ruduch (Rhodophyceae) extrakcí v zásaditém prostředí, zejména rodů Euchema, Chondrus a Gigartina. - Jejich složení, resp. struktura je velmi variabilní v závislosti na místě původu. -Základní strukturální jednotkou je D-galaktopyranosa se sulfátovými skupinami.
- významná schopnost reagovat s bílkovinami a vytvářet gel, který je odolný vůči zmrazování i tání, a to bez změny struktury či ztráty vody. - Použití: - kosmetický a farmaceutický průmysl např. pro tělové a čistící krémy, deodoranty
- U citlivých osob může karagenan v kosmetických přípravcích způsobit kopřivku nebo špatnou snášenlivost výrobku
- potravinářský průmysl - stabilizátor (E 407) do zmrzlin, zmrazených náplní a krémů, ve směsi s lecitinem pro zlepšení objemu a struktury pšeničného chleba. -
příprava šunek, uzených mas, specialit, vložek pro různé druhy masných výrobků příprava paštik s vyšším obsahem přidané vody a případně i s vyšším obsahem přidaného tuku; výroba běžných druhů masných výrobků s vyšším obsahem přidané vody; studené omáčky.
• 5) Produkce významných látek d) Další látky – Barviva a produkty pro barvení potravin • β-karoten (E160a): – produkuje Dunaliella - izoprenoidní látka (tetraterpen), potravinová barviva, produkty zdravé výživa a jako prekurzor vitamínu A
• Astaxanthin (E161j): – produkuje Haematococcus – karotenoidní látka (tetraterpen), není prekurzor vit. A, barvení potravin, doplněk zdravé výživy, v aquakulturách pro „barvení“ masa ryb
• Lutein, zeaxanthin (E161b, E161h) - karoteny - farmacie a pro zlepšení barvy drůbežích produktů, potravinová barviva, pozitivní vliv na zrak …..antioxidanty
• 5) Produkce významných látek • d) Další látky – Produkce stabilních radioizotopů • Kultivace za striktních podmínek v mediu se zdrojem izotopů C, H, N • Využití pro vědecké a medicínské účely
– Léky • protinádorové látky – cytostatika • antihelmintika – z vláknitých řas – Spirogyra, Oedogonium • antivirální aktivita – látky izolované ze sinic, rozsivek, vláknitých spájivek (Spirogyra)
– Toxiny – viz dál • Vodní květy sladkovodních sinic • Vodní květy mořských řas
Děkuji za pozornost
