30311

بررسي تجربي توليد محصولات ضد آفتاب بيولوژيكي در سيانوباكتري‌ها

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي شيمي- بيوتكنولوژي

1392

1402/8/22

فرشته نعيم پور

مهندسي شيمي، نفت و گاز

برخي از سيانوباكتري‌ها از مكانيزم سنتز تركيبات جاذب تابش فرابنفش (UVR) برخوردارند كه توليد و استفاده از آنها بعنوان ضدآفتاب‌ها‌ي بيولوژيكي در محصولات آرايشي و بهداشتي مورد توجه محافل تحقيقاتي است. اين پژوهش به بررسي توليد رنگدانه آلكالوئيدي آبگريز سايتونمين بعنوان يك متابوليت ثانويه جاذب UVR مي پردازد كه انحصارا توسط سيانوباكتري‌ها توليد شده و با خواص آنتي اكسيداني، ضد التهابي و ضد سرطاني خود مي تواند به عنوان ماده اوليه در توليد تركيبات آلي تخصصي و داروها بكارگرفته شود. اين پژوهش در بخش نخست به بررسي پتانسيل توليد سايتونمين در سيانوباكترهاي منتخب و ميزان تاثير پذيري سنتز آن از استرس هاي محيطي پرداخته و سپس تاثير روش كشت را بر پتانسيل توليد مورد بررسي قرار داده است. در ابتدا پتانسيل سنتز سايتونمين در دو گونه سيانوباكتريايي با مورفولوژي رشته ايي مورد مقايسه قرارگرفت و طي آناليزهاي اسپكتروفتومتري، كروماتوگرافي و طيف سنجي جرمي، سايتونمين در هر دو گونه شناسايي شد و (IBRC-M-5200)Leptolyngbya mycodia بعنوان گونه برتر از نقطه نظر رشد و سنتز سايتونمين با مقدار ويژه Aλ mgd.w.-1 0427/0 شناسايي شد. سپس با اتخاذ استراتژي كشت دو مرحله اي شامل كشت در مرحله اول تحت رژيم تابشي P (تابش فعال فتوسنتزي (nm400-700)) و در مرحله دوم تحت رژيم‌ها‌ي تابشي PU-A (تركيب رژيم تابشي P با طيف تابشي UVA (nm315-400)) و PU-AB (تركيب رژيم تابشي PU-A با طيف تابشي UVB (nm280-315)، رشد گونه L. mycodia و سنتز سايتونمين مقايسه شدند. نتايج بدست آمده حاكي از سنتز قابل توجه سايتونمين تحت رژيم تابش تركيبي PU-AB به ميزان Aλ mgd.w.-125/4 است. همچنين ميزان فعاليت آنتي اكسيداني سايتونمين استخراج شده توسط اين گونه با تست مهار راديكال آزاد DPPH سنجش شد و نرخ نسبتا بالاي %61 در غلظت μgL-1200 با %8/48= IC50 حاصل شد. در ادامه تاثير استرس‌ها‌ي كمبود نيترات، شوري و دما بصورت جداگانه تحت رژيم‌هاي تابشي P و PU-AB در مرحله دوم كشت مورد بررسي قرار گرفت. فقر نيترات (mM1-3/0) تحت رژيم تابشي P محرك سنتز سايتونمين نبوده درحالي كه اثر هم افزايي در سنتز تحت رژيم تابشيPU-AB بدون تغيير قابل توجه در رشد توده زيستي مشاهده شد و نيترات در سطح mM5/0 بيش از%25 افزايش در سنتز را در مقايسه با سطح بهينه آن در محيط كشتBG11 نشان مي دهد. تحت استرس شوري و در غياب محرك UVR سنتز سايتونمين مشاهده شد و تركيب آن در سطح متوسط (mM200-400) با رژيم تابشيPU-AB منجر به افزايش سنتز است (%20~). همچنين تيمارهاي دمايي تحت رژيم تابشي P نقشي در تحريك سنتز ندارند و صرفا افزايش توليد سايتونمين در تركيب رژيم تابشيPU-AB و افزايش دما به ميزان 10 درجه بالاتر از دماي بهينه مشاهده شد. بر اساس اين يافته‌ها‌ محدوديت نيترات و افزايش دما هيچ يك به تنهايي محرك سنتز سايتونمين در گونه L. mycodia نيست در حاليكه استرس شوري مي تواند مسير متابوليكي سنتز را بدون مداخله UVR فعال كند. ضمنا بيوسنتز سايتونمين تحت تمامي استرس‌ها‌ي غيرزيستي مورد بررسي در تركيب با UVR تشديد مي شود. در ادامه در راستاي بهبود دركيفيت رشدL. mycodia ، اصلاح كشت از حالت غوطه‌ور (SG) به چسبيده (AG) و تاثير آن بر توليد سايتونمين مورد بررسي قرار گرفت. در كشت‌ها‌ي اوليه در مقياس ارلن در ميان چهار نوع سطح پايه (cm2L-1300)، تشكيل بيوفيلم چسبيده پايداري با بهره‌وري نسبتا بالاي g(m2Ld)-160 بر روي صفحه مشبك از جنسي پلي اتيلن با دانسيته بالا (HDPE) مشاهده شد. در ادامه راندمان رشد و توليد سايتونمين در فتوبيوراكتورهاي استوانه‌اي (CPB) بصورت چسبيده و غوطه‌ور تحت استراتژي تابش دو مرحله اي مقايسه شدند. در فتوبيوراكتور استوانه‌اي كشت چسبيده (AG-CPB) نسبت به غوطه‌ور(SG-CPB)، بهره‌وري حجمي توليد توده زيستي در پايان مرحله اول كشت تحت رژيم تابشي P 43% افزايش يافت و بهره‌وري حجمي سنتز سايتونمين در پايان مرحله دوم تحت رژيم تابشي PU، 8/1برابر شده است. ضمنا تغيير در نرخ هوادهي (VVM8/0-1) در مرحله دوم كشت چسبيده تغيير قابل توجهي در رشد و سنتز سايتونمين نداشته است. در انتها به منظور بهبود توليد سايتونمين تحت كشت چسبيده تغيير در هندسه فتوبيوراكتور با هدف افزايش بهره برداري از منابع تابشي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج بدست آمده از كشت در فتوبيوراكتور با هندسه صفحه تخت (AG-FPB) با حجم و نسبت سطح ساپورت به سطح تابش برابر با هندسه استوانه‌اي (AG-CPB) حاكي از بهبود بهره‌وري حجمي (37%) و سطحي (%19) توليد سايتونمين است. اين پژوهش نشان مي دهد مستقل از ميزان تاثيرپذيري سنتز سايتونمين از عوامل محيطي محرك، تغيير روش كشت متناسب با مورفولوژي گونه سيانوباكتريايي برتحريك موثرتر UVR موثر و منجر به افزايش بهره وري است و ‌اين يافته ها مي تواند در مسير تحقيقات براي توليد موفقيت آميز اين تركيب ارزشمند در مقياس بالا تاثيرگذار باشد.

1402/10/05

Experimental study on biological production of cyanobacterail-sunscreen

11/12/2024 12:00:00 AM

Cyanobacteria under exposure to ultraviolet radiation (UVR) have various defense mechanisms such as the synthesis of UV absorbing compounds, which are known as cyanobacterial sunscreens with potential to be replaced with chemical sunscreens in cosmetics and health products. Present study investigated the production of a natural-ecofriendly sunscreen “scytonemin” as a hydrophobic alkaloid UV absorbent pigment exclusively synthesized in some cyanobacteria with antioxidant, anti-inflammatory and anticancer activities which has become a striking target in pharmaceutical industries to develop new cosmeceuticals and medicines. In prelimnary research, using the high-performance liquid chromatography and mass spectrometry analyses, scytonemin was characterized in two filamentous cyanobacteria, under photosynthetic active radiation (PAR). Leptolyngbya mycodia revealed superior growth as well as scytonemin specific content of 0.0427 (Aλ mgd.w.-1). Role of UV irradiation on regulation of scytonemin biosynthesis was then examined using two-stage cultivation of L. mycodia under P regime (photosynthetically active radiation, 400–700nm) in 1st stage and PU–A (P-regime combined with UV-A, (315–400nm)) and PU-AB (PU-A regime combined with UV-B, (280–300nm)) regimes in 2nd stage. UV-B (280–315nm) significantly induced scytonemin synthesis up to 4.25Aλmgd.w.-1 while synthesis (2.31Aλmgd.w.-1) to a lesser extent was observed under UV-A (315-400 nm). Also, present study confirmed the role of extracted scytonemin as an active antioxidant, indicating its strong radical scavenging (IC50=48.84%) with relatively high (61%) antioxidant rate at concentration of 200 μgL-1. This is the first report on the UV-induced scytonemin biosynthesis by cyanobacterium L. mycodia and its remarkable antioxidant activity is of great value for future biotechnological research and development of natural sunscreens. Moreover, the capacity of L. mycodia in scytonemin synthesis was investigated under diverse stressful conditions using two-stage cultivations. The effects of nitrate defciency as well as salinity and temperature were separately examined on scytonemin synthesis in 2nd stage of cultivations under P and PU-AB regimes. Nitrate deficiency (0.1-3mM) alone could not induce scytonemin synthesis under P regime, while it promoted synthesis induction under PU-AB regime without remarkable change in cell growth. Nitrate stress level of 0.5 mM showed synergistic effect on UV-induced cell synthesis response (>25% increase compared to optimal-nitrate level). On the contrary, salt stress reinforced scytonemin synthesis in the absence of UV radiation (UVR). Combination of salt stress at moderate level (100–200 mM) and UVR resulted in a synergistic effect on scytonemin synthesis (~20%). Under various temperature treatment studies, synthesis was not induced under P regime and higher scytonemin was obtained under PU-AB regime and heat shock as much as 10 degrees above the optimum temperature. Based on these findings, neither nitrate limitation nor temperature elevation alone induced scytonemin synthesis in L. mycodia while salinity can induce its synthesis pathway without involvement of UVR. However, scytonemin biosynthesis can be intensified under all examined abiotic stressors in conjunction with UVR. Moreover, in this study, the effect of attached growth on scytonemin production was investigated. Among the four examined support materials (similar surface area ~300cm2L-1) in preliminary shake flasks experiments, the high-density polyethylene (HDPE) mesh resulted in a firmly adhered biofilm at the highest productivity of ~60 g(m2Ld)-1. To compare the performance of attached (AG) and submerged (SG) cultivations on cell growth and scytonemin synthesis, experiments were performed in cylindrical photo-bioreactors (CPB) using two-stage illumination strategy to support growth in 1st stage under P regime and induce scytonemin synthesis in 2nd stage under PU-AB regime. The proposed AG-PB system ensured higher productivities of biomass (43%) in 1st stage and scytonemin (182%) at the end of 2nd stage compared to the corresponding stages in submerged growth (SG-PB). Additionally, the effect of aeration rate (0-1.8VVM) in 2nd stage of attached system was investigated where insignificant changes were observed in growth and scytonemin synthesis. At last, to improve scytonemin productivity in attached cultivation, the change in the photobioreactor geometry was investigated. Photobioreactor with flat plate design (AG-FPB) in comparison with cylindrical design (AG-CPB) with similar volume and the ratio of of support/irradiation surface showed enhancement in scytonemin productivities of 37% (volume based) and 19% (surface based). Regardless of other stimulating factors in scytonemin synthesis induction, change in cultivation method for efficient use of UVR can increase productivity and these finding are useful in future research direction for successful production of this valuable compound at large scale.

استرس محيطي , تركيبات محافظ UV , سيانوباكتري , سايتونمين , فتوبيوراكتور , كشت چسبيده , لپتولينگباي مايكوديا

Environmental stress , UV protectant , Cyanobacterai , Scytonemin , Photobioreactor , Attached growth , Leptolyngbaya mycodia

Gelare Sheibani

Dr. Naeimpoor