Исследователи из Курчатовского института и студенты МФТИ предложили использовать хитозан для сбора биомассы цианобактерии Arthrospira platensis (Spirulina). Одним из ценных соединений, синтезируемых A. platensis, является С-фикоцианин, который используется как натуральный пищевой краситель ярко-синего цвета, а также обладает противовоспалительными, иммуномодулирующими и противоопухолевыми свойствами, является перспективным лекарственным сырьем. В работе, опубликованной в журнале Algal Research, ученые продемонстрировали, что предложенная ими методика не только сокращает время сбора биомассы, но и улучшает характеристики полученного таким способом С-фикоцианина.
Arthrospira platensis, больше известная как спирулина, принадлежит к цианобактериям, которых называют еще сине-зелеными водорослями. Для ее роста требуется высокая температура и освещенность, поэтому в природе она встречается в тропических и субтропических озерах с щелочной водой (pH от 8 до 11), богатых карбонатами и бикарбонатами. В высушенной спирулине содержится от 51 до 71 % белка, причем он легко усваивается и содержит все аминокислоты, включая незаменимые. Уступая по белковой ценности животной пище (молоку, яйцам и мясу), Arthrospira platensis превосходит растительную, в том числе и бобовые. Кроме того, в спирулине содержатся все витамины группы В, витамины А и Е, а также множество микро- и макроэлементов (калий, кальций, хром, медь, магний, марганец, фосфор, селен, натрий и цинк).
Спирулина использовалась человечеством в пищу еще со времен ацтеков — по свидетельству одного из солдат Кортеса, индейцы собирали водоросли в озере Тескоко, сушили их на солнце и употребляли как своеобразные лепешки. В XX веке выяснилось, что Arthrospira platensis едят и в Африке, близ озера Чад. В 1940 году бельгийский психолог Пьер Данжерд упомянул лакомство племени канебоу в виде шариков из зеленого пюре под названием дайх. В 1965 году ботаник Жан Леонард подтвердил, что дайх состоит из Arthrospira platensis. В 2003 году при поддержке ООН и Красного Креста был создан Межправительственный институт по использованию микроводоросли спирулина в борьбе с недоеданием.
Поскольку культивировать ее легче, чем высшие растения, Arthrospira рассматривается как многообещающий объект для создания «космических оранжерей», снабжающих экипаж кислородом и пищей. Еще в 1926 году Константин Циолковский мечтал, как экипажи космических кораблей будут разнообразить меню собственноручно выращенными овощами и фруктами. Однако на деле огород в космосе оказался весьма непростой задачей. Растения отказывались цвести, а поначалу поливать их приходилось вручную, поскольку автоматическая система полива увлажняла почву неравномерно. Тем не менее на МКС уже выращивали горох, сою, пшеницу, салат, а в 2020 году собрали даже урожай редиса! Эксперимент «Фотобиореактор» добавит в этот список еще и спирулину. В космическом меню у фантастов гораздо чаще встречается другая водоросль — хлорелла, но она оказалась непригодна для еды. Гемицеллюлоза, из которой построена оболочка клеток хлореллы, практически не разрушается в желудочно-кишечном тракте, вызывая тем самым тошноту, отрыжку и другие неприятные эффекты.
Одним из ценных соединений, содержащихся A. platensis, является С-фикоцианин — пигмент-белковый комплекс, фикобилипротеин ярко-синего цвета. Он применяется в качестве натурального красителя в пищевой и косметической промышленности, флуоресцентного маркера в биомедицинских исследованиях. В результате многочисленных исследований установлено, что С-фикоцианин обладает антиоксидантными, противовоспалительными, иммуностимулирующими, противораковыми и другими свойствами. Область применения С-фикоцианина диктует свои требования к его чистоте и стабильности.
Для «сбора урожая» необходимо отделить биомассу цианобактерии от культуральной жидкости. Это можно делать центрифугированием, фильтрацией или же, что гораздо проще, заставив биомассу собраться в крупные хлопья (флокулы), которые потом легко отделить. В общем случае, при pH 6.0–7.0 клетки некоторых микроводорослей и цианобактерий способны к образованию хлопьев (автофлокуляции), но процесс этот довольно медленный — в случае A. platensis через час «слипается» не более 85 %. Чтобы активизировать процесс, ученые приняли решение добавить в культуральную жидкость раствор хитозана. Этот полимер, получаемый из природного возобновляемого сырья (из хитина в составе панцирей ракообразных, экзоскелетов насекомых и клеточных стенок грибов), нетоксичен и является биоразлагаемым. Он широко применяется в медицине, а также используется как фильтрующий материал. Хитозан входит в число биологических адсорбентов, используемых для удаления тяжелых металлов без негативного воздействия на окружающую среду. Раствор хитозана помог ускорить процесс на порядок: более 90 % биомассы A. platensis «собралось» в хлопья всего за пять минут!
«Об использовании хитозана при сборе одноклеточных микроводорослей, а также на стадиях очистки С-фикоцианина уже известно, — рассказывает старший научный сотрудник, к. х. н. Яна Сергеева. — В наших исследованиях мы впервые использовали данный природный полимер для флокуляции нитчатой цианобактерии A. platensis, что позволило не только сократить время сбора биомассы, но и привело к повышению чистоты выделенного С-фикоцианина».
Ученые объясняют этот эффект тем, что хитозан не только заставляет A. platensis формировать хлопья, но и адсорбирует, а также притягивает к себе электростатически «лишние» компоненты. Более того, при исследовании термостабильности выяснилось, что С-фикоцианин, выделенный из сфлокулированной биомассы, обладает бóльшей стабильностью. Предложенная учеными методика позволяет использовать полученный таким образом С-фикоцианин в пищевой и косметической промышленности, минуя стадию очистки, а также этап добавления необходимых стабилизаторов в конечный продукт.