Mikroalgi to producenci wielu związków naturalnych

Mikroalgi to jednokomórkowe organizmy fotoautotroficzne, które są pierwotnymi producentami materii organicznej w środowisku wodnym lub wilgotnym. Unikatowy profil metabolitów zapewnia im szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym, chemicznym, farmaceutycznym, medycznym oraz kosmetycznym. Mikroalgi stanowią cenne źródło prawie wszystkich ważnych witamin, takich jak A, B1, B2, B6, B12, C, E, K, biotyna czy kwas foliowy [1]. Część z tych związków jest wysoko cenionymi i szeroko wykorzystywanymi przeciwutleniaczami chroniącymi przed wolnymi rodnikami i szkodliwym promieniowaniem ultrafioletowym. Ponadto, mikroalgi są ważnymi producentami karotenoidów, które w komórkach pełnią głównie funkcje ochronną w stosunku do chlorofili (ochrona przed nadmiernym natężeniem światła) oraz przed wolnymi rodnikami tlenowymi [2], jak również wchodzą w skład anten fotosyntetycznych. Z chemicznego punktu widzenia karotenoidy to grupa związków będących organicznymi pochodnymi węglowodorów nienasyconych. Zbudowane są z jednostek izoprenowych, mają 40 atomów węgla w cząsteczce i zawierają minimum 7 sprzężonych wiązań podwójnych, co czyni je efektywnymi fotoreceptorami. Karotenoidy nadają roślinom i okrzemkom charakterystyczną żółto-pomarańczową barwę, która często jest maskowana przez chlorofil. Podzielić je można na dwie grupy: karoteny i ksantofile, które różnią się obecnością lub brakiem tlenu w cząsteczce [3]. Jednym z najczęściej spotykanych karotenoidów jest β-karoten będący prekursorem witaminy A.

Charakterystyka wybranych gatunków mikroalg

W ramach projektu skupiamy się na optymalizacji ekstrakcji barwników naturalnych z mikroalg do zastosowań w przemyśle kosmetycznym. Jako obiekty badań wybrano mikroalgi Dunaliella tertiolecta (Rys. 1A), Cylindrotheca closterium (Rys. 1B) oraz Rhodomonas maculata (Rys. 1C). Obecnie ekstrakty z mikroalg występują najczęściej w kosmetykach nawilżających i regenerujących do skóry twarzy i ciała, ale także w kremach chroniących skórę i włosy przed promieniowaniem UV. Dunaliella sp. jest głównym źródłem pozyskiwania β-karotenu, jednego z częściej używanych antyoksydantów [4]. W kosmetykach β-karoten ogranicza wpływ wolnych rodników, które powodują sukcesywne starzenie się komórek skóry [3]. Natomiast fukoksantyna, także o dużym potencjale przeciwutleniającym [5], występuje m.in. u Cylindrotheca closterium. Fukoksantyna pośrednio może wpływać na metabolizm komórek, poprzez zmiany w ilościach produkowanych białek [6]. Karotenoidy w przemyśle kosmetycznym są też często wykorzystywane jako naturalne pigmenty w kosmetykach kolorowych takich jak: cienie, kredki czy szminki [7].

Rysunek 1. Mikroalgi: Dunaliella teriolecta (A), Cylindrotheca klosterium (B), Rhodomonas maculata (C); zdjęcia wykonane na mikroskopie optycznym przy powiększeniu 60-krotnym.

Sposób pozyskiwania ekstraktów karotenoidowych z mikroalg i ich charakterystyka

Celem prowadzonych badań jest opracowanie wydajnej metody ekstrakcji karotenoidów z mikroalg o bogatym składzie zarówno pod kontem jakościowym, jak i ilościowym do zastosowania w produktach kosmetycznych. Poszczególne etapy projektu polegają na: (I) opracowaniu wydajnej metody ekstrakcji barwników z mikroalg (Rys. 2) potwierdzonej za pomocą widm UV-VIS, (II) zbadaniu składu uzyskanych ekstraktów za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej (HPLC) oraz (III) sprawdzeniu wpływu uzyskanych ekstraktów z mikroalg na komórki skóry w warunkach in vitro.

Rysunek 2. Schemat postępowania w trakcie ekstrakcji: 1. hodowla mikroalg w kolbach stożkowych, 2. wirowanie hodowli, usunięcie supernatantu, 3. zamrożenie biomasy, 4. dodanie mieszaniny rozpuszczalników, 5. sonikacja, 6. wirowanie, 7. pobranie górnej fazy, 8. odparowanie rozpuszczalników, 9. liofilizacja.

Optymalizacja pozyskiwania ekstraktów z mikroalg polega na wybraniu odpowiedniej metody uwalniania barwników z komórek oraz dobór najbardziej skutecznej mieszaniny rozpuszczalników (Rys. 3). Otrzymane ekstrakty prezentują widma UV-VIS oraz chromatogramy HPLC charakterystyczne dla mieszanin bogatych w ksantofile oraz porfiryny. Dunaliella sp. posiada skład karotenoidów zbliżony do roślin, gdzie występują duże zawartości m.in. β-karotenu, luteiny, zeaksantyny. Profil ksantofilowy Cylindrotheca sp. jest typowy dla okrzemków z potwierdzoną obecnością dużych ilości m.in. fukoksantyny i diadinoksantyny. Natomiast Rhodomonas sp. wykazuje bogaty skład głównie porfiryn oraz obecność nietypowego profilu ksantofilowego. Potwierdzony skład uzyskanych ekstraktów może sugerować posiadanie przez nie właściwości antyoksydacyjnych.

Rysunek 3. Etap pobierania górnej fazy (nr 7 ze schematu na rysunku 2) podczas procedury ekstrakcji karotenoidów z mikroalg. Ekstrakcja była prowadzona z wykorzystaniem dwóch różnych mieszanin rozpuszczalników (I –układ mniej polarny i II –układ bardziej polarny).

Wpływ ekstraktów karotenoidowych na komórki skóry i ich potencjał antyoksydacyjny

Do zbadania wpływu ekstraktów z mikroalg na hodowle in vitro wykorzystano linę komórkową ludzkich keratynocytów i wybrane testy cytotoksyczności (np. test MTT i test CV). Wybrany model badawczy już wcześniej pokazał korzystny wpływ barwników naturalnych pozyskanych z roślin (delfinidyna z grupy antocyjanidynów) na naświetlane promieniowaniem UV keratynocyty [8]. Badane ekstrakty karotenoidowe z mikroalg wykazują znacznie większe właściwości ochronne niż naprawcze wobec keratynocytów naświetlanych promieniowaniem z zakresu UVB. Co więcej, uzyskane wyniki sugerują, że ekstrakty są bogatym źródłem wielu barwników naturalnych oraz wysoce obiecującym surowcem kosmetycznym o silnym działaniu antyoksydacyjnym.

Poster dotyczący wyników badań został laureatem sesji posterowej „INNOWACYJNE SUROWCE KOSMETYCZNE i ZWIĄZKI BIOLOGICZNIE AKTYWNE W KOSMETOLOGII" organizowanej przez Wyższą Szkołę Inżynierii i Zdrowia w ramach Targów HPCI (Home and Personal Care Ingredients) Central and Eastern Europe w 2020 r.

Autorzy: 

Inż. Adrianna M. Zalewska* (zalewska097@gmail.com) [1, 2], Dominika Woźniak [1, 2], Jacek Szymański [1, 2], Kamil F. Trzebuniak [3], Tomasz Kobiela [1], Małgorzata Milner-Krawczyk [1], dr inż. Anna Sobiepanek* (asobiepanek@ch.pw.edu.pl) [1]

1. Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, Katedra Biotechnologii Środków Leczniczych i Kosmetyków

2. Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, Koło Naukowe Biotechnologów „Herbion”

3. Uniwersytet Jagielloński, Wydział Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii, Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin

*Autorzy korespondencyjni