3pirulina platensis - Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

3pirulina platensis - Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

&ARM0RZEGL.AUK†
3PIRULINAPLATENSISMIKROSKOPIJNYORGANIZM
pMO˜LIWOuCIPRAKTYCZNEGOZASTOSOWANIA
3PIRULINAPLATENSISTHEMICROSCOPICORGANISM
pCHANCESOFPRACTICALADAPTATION
3YLWIA+LASIK*AN"URCZYK-ARIA:YCH
+ATEDRAI:AKŒAD&ARMAKOGNOZJII&ITOCHEMII7YDZIAŒU&ARMACEUTYCZNEGO
Z/DDZIAŒEM-EDYCYNY,ABORATORYJNEJW3OSNOWCU
gL’SKI5NIWERSYTET-EDYCZNYW+ATOWICACH3OSNOWIEC
Streszczenie
Glon Spirulina platensis syn. Arthrospira platensis należy do gromady sinic Cyanophyta. Występuje w różnorodnych warunkach środowiskowych. Po raz pierwszy tę
sinicę wyizolował Turpin w 1827 roku z wody strumienia.
Komórki Spirulina platensis mają kształt cylindryczny,
tworzą heliakalne, nierozgałęzione filamenty. Helikalny
kształt Spirulina odróżnia ten glon od innych sinic. Spirulina platensis, niebiesko-zielona alga, jest bogatym
źródłem wielu substancji odżywczych. Była już znana
i stosowana w czasach starożytnych. Zawiera m.in.: ok.
60% białka, witaminy E, fikocyjaniny, β-karoten, kwas
γ- linolenowy, witaminy B12, żelazo, magnez. Stanowi
środek wzmacniający układ odpornościowy dorosłego
człowieka, ochronę naszego organizmu przed wolnymi
rodnikami i procesami oksydacyjnymi, źródło substancji
poprawiającej funkcje jelit i proces trawienia, suplement
diety dla osób otyłych poddających się kuracji odchudzającej, źródło składników odżywczych dla niedożywionych dzieci, odżywkę dla sportowców, którzy od codziennej diety wymagają dostarczenia dużej ilości energii.
Komórki Spirulina platensis wykazują również zdolność
do przeprowadzania procesów biotransformacji np. biotransformacji kodeiny do morfiny, akumulacji selenu, adsorpcji ołowiu, hamowania aktywności lipazy trzustkowej
w organizmach ssaków. Możliwości bitransformacyjne
tego glonu poszerzają perspektywy zastosowania tego
glonu w lecznictwie.
Abstract
The Spirulina platensis syn. Arthrospira platensis fall into
the classification of cyanobacteria (Cyanophyta). Spirulina has been found in a variety of environments. The first
isolation was by Turpin in 1827 from a freshwater stream.
Cells of Spirulina are cylindrical, arranged in helicoidal,
unbranched filaments. The helical shape of the trichome is
characteristic of the genus. Spirulina platensis, blue-green
algae, is a rich source of nutrients. This algae has been
known and used since ancient times. It is containing 60%
protein, vitamins E, phycocyanin, beta-carotene, gammalinolenic acid (GLA), vitamin B12, iron, magnesium. It is a
powerful tonic for the immune system of adult man, protection our body before free radical molecules and oxidant
processes, the source of substances which improve gastrointestinal and digestive health, the component of diet for
people who want to lose weight, a food supplement in
infant malnutrition, a high intensity superfood for a high
intensity athletes. Cells of Spirulina platensis have the
ability to biotransformation for example: biotransformation of codeine to morphine, selenium accumulation, biosorption of lead, inhibiting the pancreatic lipase activity in
mammals organisms. The ability to biotransformation of
Spirulina platensis winds the perspectives of adaptation
this algae in the medicine.
Key words: cyanobacteria, biotransformation, phycocyanin, morphine
Słowa kluczowe: sinice, biotransformacja, fikocyjaniny,
morfina
W obecnych czasach wielu naukowców, badaczy skierowało swoje zainteresowanie w stronę autotroficznych
roślin plechowych, określanych nazwą polską glony,
a w piśmiennictwie anglojęzycznym Algae. To zainteresowanie związane jest głównie z pożytkiem wynikającym
z ich stosowania w praktyce.
Pierwsze informacje dotyczące glonów pojawiły się już
w dziełach starożytnych i poetów chińskich. Właściwe początki algologii datuje się na pierwszą połowę XIX wieku.
Wtedy ukazały się fundamentalne dzieła C.A. i J.G. Agardhów, a po nich szeregu innych botaników [1].
Glon Spirulina platensis syn. Arthrospira platensis należy do gromady sinic (cyjanobakterii). Sinice (Cyanophyta)
należą do królestwa bezjądrowych (Procaryota), czyli są
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
organizmami nie wykazującymi obecności jądra, a jedynie
zagęszczoną substancję chromatynową w postaci splątanej
nici, zwanej nukleoidem [2]. Łacińską nazwę sinic, Cyanophyta wprowadził do taksonomii w 1874 roku Sachs. Stosowano także kilka synonimów, najważniejsze z nich to Schizophyceae i Myxophyceae. Swoją nazwę zawdzięczają ich
niebieskawemu zabarwieniu pochodzącemu od niebieskiej
fikocyjaniny zawartej w tylakoidach [2,3].
Spirulina platensis występuje w różnorodnych warunkach środowiskowych. Po raz pierwszy tę sinicę wyizolował Turpin w 1827 roku z wody strumienia. Tą sinicę można spotkać w: glebie, piasku, bagnach, w morskiej wodzie,
w słodkiej wodzie jezior, tropikalnych jeziorach, a nawet
w ciepłych źródłach. Organizm ten cechuje wyjątkowa zdolność adaptacji do różnych warunków środowiskowych [4,5].
Komórki Spirulina platensis mają kształt cylindryczny,
tworzą heliakalne (spiralne), nierozgałęzione filamenty (trichomy). Helikalny kształt Spirulina odróżnia ten glon od innych sinic. Parametry tej helisy są inne dla poszczególnych
gatunków Spirulina sp. i zależą one ponadto od warunków
środowiska takich jak na przykład temperatura wzrostu. Helisa jest zachowana w środowisku wodnym, w trakcie wysychania helisa przechodzi w formę płaskiej spirali. Średnica komórek
tej sinicy mieści się w granicach 6 do 8pm. Trichomy (włoski)
Spirulina mają zazwyczaj kilka milimetrów długości [5,6].
Spirulina platensis była już znana i stosowana w czasach
starożytnych jako źródło substancji odżywczych. Ta sinica
jest bogatym źródłem szeregu witamin z grupy B, zawiera
ok. 60% białka, witaminy E, fikocyjaniny oraz liczne składniki mineralne.
Glon ten wykorzystywany jest jako:
u Źródło β-karotenu, który wykazuje właściwości antyoksydacyjne
u Źródło białka zbilansowanego pod względem składu
aminokwasowego, co jest istotne dla osób ograniczających spożywanie mięsa i białka mlecznego
u Źródło kwasu γ-linolenowego (GLA), kwasu tłuszczowego, który naturalnie występuje w mleku matki i ma
istotne znaczenie dla prawidłowego rozwoju układu odpornościowego dziecka
u Bogate źródło żelaza, magnezu i pierwiastków śladowych
u Środek wzmacniający układ odpornościowy dorosłego
człowieka zmniejszając w ten sposób ryzyko zachorowania m.in. na świnkę, odrę, grypę
u Źródło witaminy B12 niezbędnej dla prawidłowego
funkcjonowania tkanki nerwowej
u Źródło substancji, poprawiającej funkcje jelit i proces
trawienia stymulując naturalną florę bakteryjną jelit
u Ochrona naszego organizmu przed wolnymi rodnikami
i procesami oksydacyjnymi zmniejszając w ten sposób
ryzyko wystąpienia choroby nowotworowej
u Suplement diety dla osób otyłych, poddających się kuracji odchudzającej
u Środek korzystnie wpływający na proces leczenia ustnej
leukoplakii
u Bogate źródło składników odżywczych dla dzieci niedożywionych
u Odżywka dla sportowców, którzy od codziennej diety
wymagają dostarczenia dużej ilości energii
u Środek redukujący poziom cukru u chorych na cukrzycę typu 2 (do tej pory zostały przeprowadzone badania
wstępne, potrzebne są dalsze badania dla potwierdzenia
tego poglądu) [6,7,8,9].
Komórki omawianej sinicy wykazują również zdolność
do przeprowadzenia procesów biotransformacji. Biotransformacja jest przemianą związku chemicznego z udziałem
żywych organizmów lub enzymów w inny związek [10,11].
Dotychczasowe badania biotransformacji przeprowadzone przez komórki Spirulina platensis:
u Wpływ jonów selenu na hodowlę i akumulacja selenu
przez komórki Spirulina platensis
Mikroglony wykazują dosyć dużą plastyczność metabolizmu, co daje dodatkowe możliwości wpływu na skład
ich biomasy przez odpowiednie zmiany w warunkach hodowli. Szczególnie użyteczną w tym kierunku okazała się
być możliwość wzbogacania biomasy Spirulina platensis w
mikroelementy np. selen.
Selen stanowi ważny dla organizmu mikroelement wpływający na odporność. Odgrywa on istotną rolę w głównych
procesach metabolicznych, jest kofaktorem peroksydazy
glutationowej. Produkcja preparatów z wysoką zawartością
selenu jest dosyć problematyczna, w wielu regionach Rosji,
dlatego zdolność akumulacji tego pierwiastka przez mikroglony daje pewną szansę rozwiązania tego problemu.
Eksperymentalne zbadanie zdolności nagromadzania
selenu przez biomasę Spirulina platensis polegało na prowadzeniu hodowli omawianej sinicy na pożywce Zarroucka z dodatkiem selenu. Stężenie selenu w pożywce przed
rozpoczęciem hodowli mieściło się w zakresie 10- 170mg/l.
Stwierdzono, że stężenie selenu poniżej 20mg/l nie hamowało wzrostu Spirulina. Dodatek 30mg/l tego pierwiastka nieco zmniejszyło tempo wzrostu. Jednak, nawet przy
dodatku 170mg/l selenu hodowla nadal wykazywała
zdolność do wzrostu, chociaż wzrost był w tym wypadku wolniejszy. Oznacza to, że Spirulina platensis posiada ekstremalnie wysoką tolerancję na selen. Największą
akumulację pierwiastka obserwowano przy jego stężeniu
w pożywce 30-50mg/l. Warto wspomnieć, że selen akumulował się głównie w białkach glonu co jest efektem pożądanym.
Natomiast w stężeniach w zakresie 100-170mg/l selen (IV)
ulegał redukcji do selenu (0) co objawiało się czerwonawym
zabarwieniem komórek [12]. Interesujące jest, że omawiany
glon wbudowuje selen do białek komórki do aminokwasów
siarkowych: cysteiny i metioniny, i że tak przygotowany
glon może być dodatkiem pokarmowym wyrównującym
niedobory selenu w organizmie, podobnie jak stosuje się do
tego celu drożdże wzbogacone selenem [13].
u Hamujący wpływ składników glonu Spirulina platensis
na aktywność lipazy trzustkowej w organizmach ssaków
Hipolipidemiczny efekt składników Spirulina platensis
wykryto dzięki badaniom przeprowadzonym na szczurach.
Szczurom podawano doustnie wyekstrahowane składniki
Spirulina w postaci emulsji tłuszczu w wodzie. Po dwóch
godzinach od podania u szczura zaobserwowano redukcję
podwyższonego poziomu triacylogliceroli w krwi. Aktywnym
&ARM0RZEGL.AUK
składnikiem ekstraktu, który hamował aktywność lipazy trzustkowej okazał się być 1’-O- (palmitonyl)-2’-O-(kaprylonyl)
gliceryl-β-α-D-galaktopiranozyd (glicolipid H-b2). Drugą substancją czynną ekstraktu ze Spirulina platensis wykazującą
efekt hipolipidemiczny była fikocyjanina (niebieski barwnik
tego glonu). Obydwa składniki ekstraktu w sposób zależny od
dawki okazały się być inhibitorami lipazy trzustkowej. Istnieje
szansa wykorzystania składników tego glonu do redukcji hipertriacyloglicerydemii poposiłkowej [14].
u Badanie zdolności adsorpcji ołowiu przez komórki
Spirulina platensis ze środowiska
Badania miały na celu wykazać możliwość zastosowania żywych komórek Spirulina platensis do biologicznego
usuwania (biosorpcji) ciekłego ołowiu w niskich stężeniach
(poniżej 50mg/l) z środowiska. Środowiskiem była w tym
wypadku jałowa woda. W przebiegu doświadczenia komórki glonu eksponowano na 7 dni w pięciu próbkach jałowej
wody zawierającej ołów w różnych stężeniach.
Badacze zaobserwowali, że w początkowej fazie badania (w 72 godzinie) proces adsorpcji był tak szybki, że 74%
metalu uległo biologicznej adsorbcji.
Maksimum zdolności adsorpcyjnej żywej Spirulina platensis wynosi: 0,62mg ołowiu na 105 komórek algi [15].
u Antyoksydacyjne właściwości selenu związanego
z fikocyjaninami wyizolowanymi z komórek Spirulina platensis
W badaniu wykorzystano fikocyjaniny wyizolowane
z komórek Spirulina platensis hodowanej na pożywce bogatej w selen. Fikocyjaniny zawierające selen (Se-PC) występowały w różnych formach: podjednostki α, β, monomery
(αβ) (Se-PC1), trimery (αβ)3 (Se-PC2) i heksamery (αβ)6
(Se-PC3). W badaniu tym porównano aktywność przeciw
wolnym rodnikom i reaktywnym formom tlenu fikocyjanin
zawierających selen z fikocyjaninami kontrolnymi nie zawierającymi tego pierwiastka. Okazało się, że tylko fikocyjaniny zawierające selen (Se) charakteryzowały się antyoksydacyjną aktywnością, z czego wynika, że ten pierwiastek
wykazuje przeciwutleniające właściwości [16].
u Badanie biotransformacji kodeiny do morfiny w zawiesinach komórek i komórkach immobilizowanych
glonu Spirulina platensis
Zdolność biotransformacji substancji chemicznych
można wykorzystać do przeprowadzania różnych syntez,
względnie modyfikacji związków organicznych w liczbie
substancji naturalnych występujących w roślinach lub także
do syntezy nowych substancji.
Przykładem takich zdolności biotransformacyjnych
może być przekształcenie kodeiny do morfiny. Dla zbadania
tej zdolności testowano komórki glonu Spirulina platensis
w zawiesinie (wariant A) oraz w postaci komórek unieruchomionych (immobilizowanych) - wariant B przy pomocy alginianu wapnia. W obu przypadkach stosowano jako
środowisko pożywkę mineralną Zarroucka. W momencie
rozpoczęcia doświadczenia zawartość kodeiny w środowi-
sku wynosiła 0,45g na 20ml pożywki. W obu wypadkach
wariantu A i B kodeina uległa konwersji do morfiny. Kodeina dodana do środowiska hodowli nie wpłynęła na wzrost
Spirulina platensis w istotny sposób. Akumulacja morfiny
w środowisku wzrastała stopniowo i osiągnęła maksimum
330μg/100ml hodowli w 105 godzinie, a w wypadku hodowli
prowadzonej w zawiesinie 351μg/100ml w 96 godzinie dla
hodowli immobilizowanej Spirulina platensis. Warto zaznaczyć, że morfina uległa akumulacji tylko w pożywce
wzrostowej. Nie wykazano obecności morfiny w komórkach
glonu [17].
u Wytwarzanie fikocyjanin u sinic z rodzaju Spirulina
i ich hamujący wpływ na wzrost komórek nowotworowych Ehrlicha
Dwa gatunki niebiesko-zielonej algi Spirulina platensis
i Spirulina maxima hodowano w pożywkach o różnych stężeniach azotu-N i chlorku sodu (NaCl). Zaobserwowano, że
wraz ze wzrostem poziomu azotu i NaCl w pożywce wzrastało stężenie fikocyjanin: C-fikocyjanina (C-PC) od 1,65%
do 4,02%, allofikocyjanina (A-PC) od 2,53% do 6,11%,
R-fikocyjanina (R-PC) od 5,75% do 12,35% w komórkach
obu glonów. Interesujący jest efekt wyraźnego hamowania
wzrostu komórek nowotworowych spowodowany obecnością fikocyjanin. Efekt inhibicji wzrostu guza nowotworowego zależał od dawki tych barwników. Mechanizm ich działania nie polegał na fragmentacji DNA komórek guza lecz na
niszczeniu ich błony komórkowej. Zniszczenie błony powodowało wypłynięcie na zewnętrz zawartości komórki oraz wzrost
aktywności S-transferazy glutationu (GST) i dehydrogenazy
mleczanowej (LDH). Istnieje szansa wykorzystania fikocyjanin omawianego mikroglonu i wspomnianej aktywności przeciwnowotworowej w chemioterapii nowotworów [18].
u Odkrycie cyklazy adenylowej w komórkach Spirulina platensis, prawdopodobnego prekursora cyklazy
guanylowj ssaków
Cyklaza adenylowa (AC) jest enzymem odpowiedzialnym
za syntezę cząsteczek cAMP (cyklicznego adenozynomonofosforanu), które odgrywają ważną rolę w regulacji różnych
procesów zachodzących w komórkach. Enzym ten jest aktywowany przez podjednostkę α jednego z białek Gs (białek
pobudzających) [19,20]. Do tej pory naukowcy wyizolowali
z komórek wielu organizmów kilka genów kodujących AC.
Enzymy te zostały zaklasyfikowane do trzech klas zgodnie
z podstawową strukturą chemiczną ich cząsteczek. Klasa I
AC obejmuje głównie cyklazy enterobakteryjne. Klasę II
AC tworzą enzymy wyizolowane z patogennych bakterii i są
aktywowane przez eukariotyczne kofaktory kalmoduliny. Do
klasy III zostały przydzielone AC, które są szeroko spotykane
w organizmach począwszy od bakterii a kończąc na ssakach.
Warto wspomnieć, że w ostatnim czasie wykryto i wyodrębniono nowy gen kodujący cyklazę adenylową, oznaczoną
jako CyaG, który znajdował się w materiale genetycznym
cyjanobakterii Spirulina platensis. Sekwencja aminokwasów C-końcowego regionu CyaG okazała się być podobna
do katalitycznych domen cyklaz adenylowych i guanylowch
należących do klasy III. Po dokładniejszej analizie struktury
COPYRIGHT‚'RUPADR!2+WIECIÊSKIEGO)33.†
CyaG wysunięto wniosek, że jest ona bardziej zbliżona do
budowy cyklazy guanylowej (GC) niż do adenylowej. Ostatecznie stwierdzono, że wyizolowana ze Spirulina platensis
cyklaza adenylowa CyaG posiadając zarówno cechy AC
(synteza cAMP) jak i CG (podobna struktura) zajmuje krytyczną pozycję w procesie ewolucji klasy III cyklaz [21].
u Badanie występowania poli-p-hydroksymaślanu
u rodzaju Spirulina platensis
Poli-p-hydroksybutyrat (PHB)- poli-p-hydroksymaślan
jest biopolimerem występującym wyłącznie u Procaryota,
u których stanowi on rezerwę węgla i energii. Wspomniany biopolimer wyizolowano również z komórek Spirulina
platensis. Tę sinicę hodowano dwoma sposobami w warunkach: miksotroficznie (z dodatkiem różnych substratów
chemicznych i na świetle) i autotroficznie. W hodowli miksotroficznej do pożywki był dodawany octan sodu. Przy
końcu hodowli oznaczano wewnątrzkomórkowe ilości PHB
za pomocą chromatografii gazowej i chromatografii cienkowarstwowej (HPLC). Okazało się, że w komórkach Spirulina hodowanej autotroficznie zawartość biopolimeru była
niewielka, nie przekraczająca kilku miligramów na gram suchej masy. Wynika z tego, że PHB stanowi integralną część
biomasy cyjanobakterii, ale nie stanowi ważnego związku
zapasowego dla komórki w tych warunkach wzrostu. Natomiast, w warunkach miksotroficznych, wewnątrzkomórkowa zawartość PHB wynosiła około 3% suchej masy, co
może przemawiać za tym, że jest w tym wypadku istotnym
związkiem zapasowym [22].
Ponadto, „elastyczność” metabolizmu i sterowana biosynteza stwarza możliwość dysponowania w przypadku sinic biomasą o zamierzonym składzie chemicznym i wykorzystaniu jej w procesach bioenergetycznych. Już w chwili
obecnej glon Spirulina jest źródłem szeregu substancji o zastosowaniu biomedycznym. Możliwości biotransformacyjne tego glonu poszerzają perspektywy zastosowania tego
glonu do celów utylitarnych i w lecznictwie.
Piśmiennictwo
1. Szweykowska A. Botanika. Wydawnictwo Naukowe
PWN. Warszawa 2005.
2. Wojtaszek P. Biologia komórki roślinnej. Wydawnictwo
Naukowe PWN.Warszawa 2007.
3. Lack A. Biologia roślin. Wydawnictwo Naukowe PWN.
Warszawa 2003.
4. Lloyd P.: Now Eat Up Your Blue- Greens! Edible Algae.
Na podstawie książki Henrikson R.: Earth Ford Spirulina: How This Remarkable Blue-Green Alga Can Transform Your Health and Our Planet, 1997.
5. Ciferri O.: Spirulina, the Edible Microorganism. Microbiological Reviews 1983; 47: 551-578.
6. Choong-Jae K, Yun-Ho J. Factors Indicating Culture Status During Cultivation of Spirulina (Arthrospira) platensis. The Journal if Microbiology 2007; 45: 122-127.
7. Wang Y i wsp.:Dietary supplementation with blueberries,
spinach, or spirulina reduces ischemic brain damage.
Experimental Neurology 2005;193(1):75-84.
8. Simpore J, Zongo F.: Nutrition rehabilitation of undernourished children utilizing Spiruline and Misola. Nutrition Journal 2006; 5: 3-7.
9. Lee A, Werth V: Activation Following Use of Immunostimulatory Herbal Supplements. Arch Dermatol. 2004;
140: 723-727.
10. Kopcewicz J. Fizjologia roślin. Wydawnictwo Naukowe
PWN. Warszawa 2002.
11. Janiec W. Kompendium farmakologii. PZWL. Warszawa 2003.
12. Pronina N, Kovshova Yu.I.: The Effect of Selenie Ions
on Growth and Selenium Accumulation in Spirulina
platensis. Russian Journal of Plant Physiology 2002;
49:235-241.
13. Pankiewicz U, Jamroz J. The effect of pulse electric
field on accumulation of selenium in cells of Saccharomyces cerevisiae. J Microbiol Biotechnol. 2007;
17(7):1139-46.
14. Han LK, Xiang L.: Isolation of pancreatic lipase activity-inhibitory component of Spirulina platensis and it reduce postprandial triacylglycerolemia. Yakugaku Zasshi
2006;126: 43-49.
15. Hong C, Shan-shan P.: Bioremediation potential of Spirulina: toxicity and biosorption studies of lead. Zhejiang
Univ. Sci. 2005; 6(3): 171-174.
16. Huang Z, Guo B. Characterization and antioxidant activity
of selenium- containing phycocyanin isolated from Spirulina platensis. Food Chemistry 2007; 100: 1137-1143.
17. Tripathi U, Ramachandra S.: Biotransformation of codeine to morphine in freely suspended cells and immobilized cultures of Spirulina platensis. World Journal of
Microbiology and Biotechnology 1999; 15: 465-469.
18. Hanaa H. Over Production of Phycocyanin Pigment in
Blue Green Alga Spirulina sp. And It’s Inhibitory Effect
on Growth of Ehrlich Ascites Carcinoma Cells. Journal
Medicin 2003; 3(4): 314-324.
19. Murray RK, Daryl K.: Biochemia Harpera. PZWL. Warszawa 2001.
20. Bańkowski E.: Biochemia. Wydawnictwo Medyczn
Urban and Partner. Wrocław. 2004.
21. Kasahara M, Unno T.: CyaG, a novel cyanobacterial
adenylyl cyclase and a possible ancestor of mammalian guanylyl cyclases. Journal Biol. Chem. 2001; 276:
10564-10569.
22. Vincenzini M, Sili C. Occurrence of poly-3hydroxybutyrate in Spirulina Species.
Journal of Bacteriology 1990; 172: 2791-2792.
Adres do korespondencji:
Sylwia Klasik
ul. Kopalniana 4/19, 41-500 Chorzów
tel. 604 666 765
e-mail: [email protected]