Источник:портал Наука.РФ. Беседовала Анна Шиховец.
Микрофактор больших перемен: как водоросли помогают ученым решать глобальные задачи
Водоросли — одна из самых разнообразных групп живых организмов. Их исследуют не только для того, чтобы оценить состояние экосистемы, но и решить весьма глобальные задачи: от борьбы с изменением климата до создания новых лекарств, источников энергии и развития космических технологий. Как водоросли помогают решать эти задачи? О современных исследованиях и популярных мифах в альгологии порталу Наука.РФ рассказал заведующий лабораторией альгоэкоинжиниринга Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН, доктор биологических наук Евгений Мальцев.
— Евгений, расскажите, какие водоросли сегодня представляют наибольший интерес для ученых и почему?
— Можно выделить несколько групп водорослей, каждая из которых обладает особыми свойствами и потенциалом применения в различных областях. Например, диатомовые водоросли. Это одноклеточные микроорганизмы, чья клетка заключена в кремниевый панцирь, состоящий из двух створок. Такие микроскопические организмы встречаются практически повсеместно на Земле. Они выполняют значимую экологическую функцию: поглощают приблизительно 25% мирового объема углекислого газа и обеспечивают производство около 20% первичной биомассы планеты. Помимо этого, диатомовые водоросли обладают уникальными характеристиками и перспективны в биотехнологическом применении. Интересны зеленые водоросли, в частности, родChlorellaиDunaliella. Они известны своим высоким содержанием белка, аминокислот и витаминов, что делает их ценным компонентом для пищевых добавок. Красные водоросли, например, родPorphyridium, являются продуцентами полиненасыщенных жирных кислот, таких как арахидоновая и эйкозапентаеновая*, имеющих важное медицинское значение. Бурые водоросли — такие, как родLaminaria— содержат ценные полисахариды: альгинат и ламинарин, которые используются в медицине, косметологии, пищевой промышленности и биотехнологии. Стоит также упомянуть цианобактерии, схожие с водорослями по протеканию физиологических процессов и занимаемой экологической нише. Например, представители родаArthrospiraмогут стать источником биологически активных соединений — антиоксидантов, пигментов и потенциальных лекарственных веществ. В целом, причины интереса к водорослям достаточно широки. Эти организмы рассматривают как эффективный источник возобновляемой энергии, способный снизить зависимость от ископаемых видов топлива. Микроводоросли способны поглощать тяжелые металлы, а также азот, фосфор и другие загрязнители из сточных вод, преобразуя их в биомассу. Полезны они и в космосе: водоросли тестируют как часть систем жизнеобеспечения в космических миссиях для производства кислорода и пищи.
— С помощью каких технологий изучают водоросли? Используют ли искусственный интеллект?
— Для исследования водорослей применяют разнообразные современные технологии и методы. Например, молекулярно-генетические, проточную цитометрию**, оптические, спектроскопические и роботизированные подходы. Искусственный интеллект играет ключевую роль в автоматизации процессов, анализе данных и решении прикладных задач, таких как биотехнология и экологический мониторинг. Но несмотря на прогресс, многие аспекты биологии и экологии водорослей остаются недостаточно изученными. Это открывает простор для дальнейших исследований.
— С какими популярными мифами вам приходится сталкиваться в вашей работе?
— Часто считают, что водоросли неприхотливы в культивировании и не требуют сложного ухода. На деле, чтобы их вырастить, необходимо строго контролировать условия: постоянно отслеживать уровень освещенности, температуру, состав питательных веществ в среде, значение pH (кислотности среды) и других параметров. Даже незначительные отклонения могут существенно повлиять на рост и качество биомассы. Еще один миф: микроводоросли — очень дешевая альтернатива традиционным источникам белка и другим питательным веществам. Но на практике нужно внимательно рассчитывать себестоимость производства. Наибольшей рентабельности можно достичь, если получить несколько биопродуктов из биомассы, например, липиды, белок и витамины.
— Всегда ли водоросли полезны для человека?
— Это, кстати, тоже одно из распространенных заблуждений. Разные виды водорослей имеют различные свойства и области применения. Их использование в пищевой промышленности и медицине связано с богатым составом и биоактивными свойствами. Но некоторые виды выделяют токсины, опасные для здоровья и окружающей среды.
— Могут ли водоросли вообще когда-нибудь стать частью повседневного рациона людей?
— Водоросли уже являются частью рациона во многих странах, их популярность растет. У этих организмов есть потенциал стать более распространенным источником пищи, поскольку они богаты белком, витаминами, минералами и другими полезными веществами. Но для широкого распространения в повседневном рационе необходимо преодолеть технологические, нормативные и маркетинговые препятствия.
— Недавно ваша научная группа открыла новые виды диатомовых водорослей, обнаруженные во Вьетнаме. В чем их особенности?
— В почве тропического Национального парка Кат Тьен мы обнаружили шесть ранее неизвестных представителей диатомовых водорослей родаPinnularia. Одним из примечательных открытий стал видPinnularia paradubitabilis. Особенность в том, что в клетках этих видов содержится больше всего насыщенных стеариновой и пальмитиновой кислот***, а также мононенасыщенной пальмитолеиновой кислоты. В отличие от многих морских и пресноводных диатомовых водорослей, новые виды обитают в почве. Это расширяет представления о разнообразии местообитаний этих организмов. Стоит отметить, что диатомовые водоросли в целом накапливают в десять раз больше жирных кислот омега-3 и омега-6, чем наземные культурные растения. Их можно использовать в качестве кормовых добавок в аквакультуре и животноводстве. Более того, из кислот этих водорослей можно производить биодизель и другие альтернативные, более экологичные виды топлива. Поэтому можно сказать, что наши исследования открывают новые возможности для развития биотехнологий, сельского хозяйства и производства экологически чистых продуктов.
— Почему жирные кислоты именно этих водорослей подходят для производства биотоплива?
— Дело в том, что биотопливо из водорослей имеет молекулярную структуру, схожую с традиционной нефтью. Это упрощает его использование в существующей транспортной технике без серьезных модификаций. Подвергая водоросли стрессу (например, ограничивая уровень азота или меняя степень солености в биореакторе), мы можем менять соотношение насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, адаптируя состав топлива под конкретные требования. К тому же, водоросли размножаются быстрее наземных растений. Это позволяет получать значительные объемы биомассы за короткий период.
— На какой стадии находится это исследование?
— Мы уже оценили способность выделенных видов к активному росту в искусственных условиях. В наши планы входит расширять каталог штаммов зеленых и диатомовых водорослей с липидными профилями. Чтобы максимально увеличить количество жирных кислот, мы намерены создать оптимизированный протокол культивирования. Также, мы планируем получить образцы биодизеля с подтвержденными эксплуатационными характеристиками.
— Другой ваш проект связан с исследованием микроводорослиChlorococcum oleofaciens. Чем интересен этот вид?
— Зеленые водоросли родаChlorococcumшироко распространены в экосистемах.Chlorococcum oleofaciens— хорошо известный вид из водных и почвенных биотопов. Он способен накапливать много липидов и другие ценные соединения с антиоксидантными функциями: витамины, каротиноиды, жирные кислоты. В связи с этим мы решили охарактеризовать биохимический состав биомассы нового штамма. Необходимо понять, какие антиоксиданты он вырабатывает в стрессовых условиях культивирования. В будущем это поможет повысить его продуктивность в биотехнологических производствах. На основе биомассыChlorococcum oleofaciensможно создать несколько типов функциональных кормов с уникальным составом.
— Какие корма можно получить из этих водорослей?
— Например, высоколипидные корма в виде добавки для аквакультуры (лососевые, осетровые), улучшающие рост и репродуктивные показатели. Белково-каротиноидные корма для декоративных рыб и птиц, усиливающие окраску и укрепляющие иммунитет, а также антиоксидантные корма. В сельском хозяйстве востребована биомасса микроводорослей с высокими концентрациями омега-3 и низким содержанием омега-6 кислот. Такую биомассу можно использовать в животноводстве для изготовления кормов, позволяющих снизить метаногенез — образование метана в пищеварительном тракте — у крупного и мелкого рогатого скота.
— Эту продукцию уже внедрили в массовое производство?
— В настоящий момент проект находится на стадии лабораторных исследований. Мы перешли к полупромышленному получению биомассы водорослей для создания первых образцов кормов. О конкретных сроках массового производства пока говорить рано. Но успешная реализация полупромышленных испытаний может стать основой для дальнейшего масштабирования технологии.
— Что ж, перспективы у водорослей действительно широкие. А какие сферы применения этих организмов вам кажутся наиболее интересными?
— Нужно отметить, что сегодня остро обозначилась проблема практического использования результатов фундаментальных исследований в реальных отраслях экономики, а в нашем случае — биоэкономики****. Биотехнологические отрасли оптимизируют землепользование, продовольственную и энергетическую безопасность, открывают новые возможности в лечении и профилактике заболеваний человека. Эти технологии отличаются высокой ресурсоэффективностью и в значительной степени безотходным использованием возобновляемого сырья. Поэтому важными научными направлениями, которые могут быть реализованы с помощью биотехнологии и ботаники, на мой взгляд, являются следующие: разработка научных основ скрининга биологического разнообразия микроводорослей и цианобактерий, а также поиск производителей ценных биосоединений и условий культивирования. Это позволит сделать биотехнологические процессы в отрасли более продуктивными.
Фото 2.Зеленые водоросли, родChlorellaиDunaliella.Источник: Е.И. Мальцев.
Фото 3.Слева: один из новых описанных видов диатомовых водорослей —Pinnularia paradubitabilis. Справа: место отбора проб — территория муссонных тропических лесов Вьетнама, Национальный парк Кат Тьен.Источник: Kezlya et al. / Cells, 2022.
СНОСКИ:
*арахидоновая и эйкозапентаеновая кислоты— жирные кислоты омега-3, важные для структуры и функций клеток в организме.
**проточная цитометрия— метод оптического измерения параметров клетки, при котором ее анализируют в потоке жидкости.
***стеариновая и пальмитиновая кислоты— насыщенные жирные кислоты, обладающие полезными свойствами и широко использующиеся в разных отраслях промышленности. Например, в пищевой отрасли их применяют в качестве стабилизаторов и эмульгаторов.
****биоэкономика— экономика, основанная на использовании возобновляемых биологических ресурсов (растений, животных, микроорганизмов) и процессов для производства продуктов и энергии.