sp.PDF

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologiczny potencja³

cyjanobakterii z rodzaju

Arthrospira

Magdalena Miklaszewska, Ma³gorzata Waleron, Krzysztof Waleron

Katedra Biotechnologii, Zak³ad Ochrony i Biotechnologii Roœlin,

Miêdzyuczelniany Wydzia³ Biotechnologii UG i AMG, Gdañsk

Biotechnological potential of cyanobacteria of the genus

Arthrospira

Summary

Nutritional properties of Arthrospira have been known for hundred years. It

was consumed by the Aztecs and it is still an important food source for the

Kanembu tribe in Chad. The biomass of Arthrospira is the source of eight essen-

tial and twelve non-essential amino acids, as well as lipids, carbohydrates, min-

erals, vitamins and carotenoids. It has immunomodulative, antioxidant, antiviral

and anticancerogenic properties. Arthrospira is also used for heavy metal and in-

organic nutrients removal from wastewater. Arthrospira PCC 8005 strain was

chosen to be a part of MELISSA system (Micro Ecological Life Support System Al-

ternative), where it will be used to produce oxygen and as food for astronauts.

Key words:

cyanobacteria, Arthrospira , nutritional value, antioxidant, antiviral and

anticancerogenic activities, wastewater treatment, MELISSA.

1. Historia konsumpcji cyjanobakterii Arthrospira

Adres do korespondencji

Krzysztof Waleron,

Katedra Biotechnologii,

Miêdzyuczelniany Wydzia³

Biotechnologii UG i AMG,

ul. K³adki 24,

80-824 Gdañsk;

e-mail:

waleron@biotech.univ.gda.pl

Nie wiadomo, od jak dawna cz³owiek wykorzystuje gatunki

Arthrospira jako suplement diety (1). W³aœciwoœci od¿ywcze

Arthrospira zosta³y odkryte niezale¿nie na dwóch kontynentach

– Ameryce Po³udniowej i Afryce.

Wzmianki o stosowaniu Arthrospira maxima przez Azteków

pojawi³y siê w XVI w., czyli w czasie podboju Ameryki przez kra-

je europejskie. Aztekowie wy³awiali rosn¹ce w jeziorze Texcoco

cyjanobakterie i suszyli je na s³oñcu. Po¿ywienie to okreœlane

by³o mianem Tecuitlatl (1,2).

3 (82) 119–142 2008

Magdalena Miklaszewska, Ma³gorzata Waleron, Krzysztof Waleron

W Afryce biomasa Arthrospira spo¿ywana jest do dziœ przez zamieszkuj¹ce rejony

jeziora Czad plemiê Kanembu. Z wysuszonych mat utworzonych przez Arthrospira platensis

otrzymuje siê placki nazywane przez miejscow¹ ludnoœæ Dihé. Próbkê tego po¿ywie-

nia opisa³ po raz pierwszy w 1940 r. francuski fykolog Dangeard. Nieca³e 25 lat póŸ-

niej Leonard, botanik uczestnicz¹cy w belgijskiej wyprawie na Saharê, wraz z ze-

spo³em wykonali pierwsz¹ chemiczn¹ analizê biomasy A. platensis , z której wytwarza-

no Dihé (2).

Lata 70. ubieg³ego wieku przynios³y intensywny rozwój badañ nad gatunkami

rodzaju Arthrospira , ich w³aœciwoœciami od¿ywczymi i zastosowaniami w medycy-

nie. Skupiano siê przede wszystkim na wykorzystaniu tych cyjanobakterii w uzu-

pe³nianiu diety niedo¿ywionych populacji w krajach azjatyckich takich jak Indie

czy Tajlandia. Rozpoczêto równie¿ masow¹ hodowlê tych cyjanobakterii w celu

otrzymywania aminokwasów i oczyszczania wody (1). W 1979 r. pierwszy preparat

z Arthrospira zosta³ wprowadzony na rynek przez amerykañsk¹ firmê Earthrise

Farms (3).

Obecnie preparaty z Arthrospira (m. in. A. maxima i A. platensis ) s¹ sprzedawane

pod nazw¹ „Spirulina” na ca³ym œwiecie, a najbardziej znane firmy je produkuj¹ce to

m. in. Earthrise Farms (USA), Cyanotech (USA), Hainan DIC Microalgae Co., Ltd (Chiny),

Marugappa Chettir Research Center (Indie) , Genix (Kuba) and Solarium Biotechnology

(Chile) (1). Mo¿na je kupiæ tak¿e w Polsce w postaci tabletek, sproszkowanej masy

i chipsów nie tylko w aptekach czy sklepach zielarskich, ale równie¿ w dzia³ach ze

zdrow¹ ¿ywnoœci¹ w supermarketach.

2. W³aœciwoœci od¿ywcze i perspektywy zastosowania cyjanobakterii

z rodzaju Arthrospira jako Ÿród³a po¿ywienia

Niewiele jest publikacji naukowych, w których szczegó³owo opisuje siê gatunki

Arthrospira pod k¹tem ich zastosowania we wzbogacaniu codziennej diety. Informa-

cje tego typu mo¿na natomiast znaleŸæ na stronach internetowych licznych firm wy-

twarzaj¹cych preparaty z Arthrospira . Maj¹ one jednak charakter popularnonauko-

wy. W pierwszej analizie chemicznej biomasy A. platensis opublikowanej przez Le-

onarda i wsp. w 1967 r. wykazano 45% zawartoœæ bia³ka w suchej masie. W Institute

Française du Pétrole wykonano niezale¿ne badania na hodowanym w laboratorium

szczepie tego gatunku. Wykazano, ¿e wartoœæ ta jest wy¿sza i wynosi 62-68% bia³ka

w suchej masie. We wspó³czeœnie wykonanych analizach potwierdza siê, ¿e bia³ko

stanowi od 55 do 70% suchej masy. Zawartoœæ ta zale¿y od warunków hodowli:

A. platensis i A. maxima hodowane w laboratorium zawiera³y wiêcej bia³ka ni¿ te po-

chodz¹ce z otwartych zbiorników, które z kolei charakteryzowa³y siê wy¿sz¹ zawar-

toœci¹ wêglowodanów (2).

Biomasa Arthrospira wykorzystywana do produkcji preparatów od¿ywczych za-

wiera wszystkie osiem aminokwasów egzogennych (47% masy wszystkich bia³ek)

120

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologiczny potencja³ cyjanobakterii z rodzaju Arthrospira

i dwanaœcie endogennych. Aminokwasami ograniczaj¹cymi 1 w przypadku Arthrospira

s¹ cystyna i metionina, jednak ich zawartoœæ jest wy¿sza w porównaniu do zbó¿ czy

warzyw. Wspó³czynnik wykorzystania bia³ka netto (NPU, ang. net protein utilization ),

okreœlaj¹cy stosunek iloœci bia³ek spo¿ytych do iloœci zatrzymanych w organizmie

dla preparatów Arthrospira wynosi 53-61%. Natomiast wskaŸnik wydajnoœci wzrosto-

wej bia³ka (PER, ang. protein efficiency ratio ), okreœlaj¹cy przyrost masy cia³a na 1g

spo¿ytego bia³ka, waha siê od 1,8 do 2,6. Œciany komórkowe cyjanobakterii z tego

rodzaju nie zawieraj¹ celulozy, dziêki czemu ³atwo ulegaj¹ trawieniu (strawnoœæ

bia³ek suszonej biomasy Arthrospira wykorzystywanej do produkcji preparatów wy-

nosi 83-90%) (3,4).

Dane dotycz¹ce zawartoœci lipidów cechuj¹ du¿e odchylenia (od 1,5 do 12% su-

chej masy Arthrospira ). Wynika to zapewne z ró¿nic w efektywnoœci stosowanych me-

tod ekstrakcji i szacowania zawartoœci tych zwi¹zków (2). Lipidy dziel¹ siê na dwie

frakcje – zmydlaj¹ce siê (83%) oraz nie zmydlaj¹ce siê (17%). Do pierwszej frakcji na-

le¿¹ g³ównie wolne kwasy t³uszczowe, a tak¿e mono- i digalaktozylodiglicerydy oraz

fosfatydyloglicerol. Do lipidów nie ulegaj¹cych zmydleniu nale¿¹ sterole, alkohole

terpenowe, parafiny oraz barwniki. Jednym z wa¿niejszych sk³adników jest kwas -li-

nolenowy, bêd¹cy prekursorem prostaglandyn, leukotrienów i tromboksanów. W or-

ganizmie cz³owieka jest on syntetyzowany z kwasu linolowego, ale mo¿e byæ tak¿e

efektywnie pobierany z po¿ywienia, co jest szczególnie wa¿ne w przypadku zabu-

rzeñ jego syntezy. Kwas -linolenowy stanowi 10-20% wszystkich kwasów t³uszczo-

wych A. maxima i 40% A. platensis , co czyni te organizmy jednym z lepszych znanych

Ÿróde³ tej substancji. Zawartoœæ kwasu palmitynowego, który w nadmiarze przyczy-

nia siê do powstawania mia¿d¿ycy i innych niekorzystnych zmian w organizmie

cz³owieka, w przypadku A. maxima wynosi 63% wszystkich kwasów t³uszczowych,

a w przypadku A. platensis – 25%. Komórki Arthrospira nie zawieraj¹ kwasów t³usz-

czowych o nieparzystej liczbie atomów wêgla, a poziom rozga³êzionych kwasów

t³uszczowych jest niski. Jest to korzystne, gdy¿ oba wymienione typy kwasów nie s¹

metabolizowane przez zwierzêta wy¿sze. Preparaty z Arthrospira zalecane s¹ jako uzu-

pe³nienie diety w przypadku niedoboru kwasów t³uszczowych (4).

Biomasa Arthrospira zawiera kilka ró¿nych wêglowodanów, ale przez cz³owieka

przyswajanie s¹ g³ównie glukozamina, ramnoza i glikogen. Dwa ostatnie polisachary-

dy s¹ transportowane do wnêtrza komórek przy niewielkim udziale insuliny, dziêki

czemu nie pojawia siê stan hipoglikemii (3). Wa¿nym wêglowodanem, gromadzonym

w komórkach Arthrospira , jest fosforan mezoinozytolu, który jest dobrym Ÿród³em

fosforu organicznego i inozytolu. Zawartoœæ jego wynosi 350-850 mg/kg suchej masy

preparatów z Arthrospira , czyli jest oœmiokrotnie wy¿sza ni¿ w wo³owinie. Niektóre

polisacharydy Arthrospira s¹ odpowiedzialne za stymulacjê i regulacjê dzia³ania uk³a-

du immunologicznego oraz za wspomaganie mechanizmów naprawy DNA (4).

1 Aminokwas ograniczaj¹cy – aminokwas egzogenny, który w danym bia³ku wystêpuje w najmniej-

szej iloœci w porównaniu do wzorca (bia³ko jaja kurzego) (74).

BIOTECHNOLOGIA 3 (82) 119-142 2008

121

Magdalena Miklaszewska, Ma³gorzata Waleron, Krzysztof Waleron

Wœród karotenoidów obecnych w biomasie Arthrospira s¹ -karoten (80% wszyst-

kich karotenoidów) – zawartoœæ 700-1700 mg/kg suchej masy i kryptoksantyna –

100 mg/kg. Substancje te s¹ prekursorami witaminy A u ssaków. Brak retinolu (wol-

nej formy witaminy A) eliminuje mo¿liwoœæ powstania hiperwitaminozy. Preparaty

z Arthrospira , jak siê okaza³o, by³y skuteczne w uzupe³nianiu niedoboru witaminy A,

co jest szczególnie wa¿ne w przypadku kobiet w ci¹¿y zara¿onych wirusem HIV (wy-

kazano, ¿e awitaminoza zwiêksza prawdopodobieñstwo zainfekowania p³odu). Po-

nadto -karoten ma zdolnoœæ neutralizacji wolnych rodników, przez co zmniejsza

ryzyko wyst¹pienia nowotworów (4).

Zawartoœæ witaminy B12 (1,5-2,0 mg/kg) w biomasie Arthrospira jest czterokrotnie

wiêksza ni¿ w surowej w¹trobie wo³owej. W 10 g biomasy znajduje siê 20 g tej wi-

taminy, co stanowi 330% zalecanej dziennej dawki (5). W badaniach przeprowadzo-

nych przez Watanabe i wsp. wykazano, ¿e preparaty z Arthrospira zawieraj¹ jedynie

17% aktywnie wi¹¿¹cej siê do czynnika wewnêtrznego Castle´a formy witaminy B12.

Pozosta³a czêœci to tzw. pseudowitamina B12 nie wykazuj¹ca w³aœciwoœci aktywnej

witaminy (6). W póŸniejszych eksperymentach wykazano, ¿e hodowanie A. platensis

bez dodatku CoSO 4 do po¿ywki znacz¹co obni¿a zawartoœæ nieaktywnej formy B12

(7). Wykazano tak¿e, ¿e niektóre analogi witaminy B12 mog¹ blokowaæ metabolizm

w³aœciwej formy tej witaminy (8). Suplementacja diety witamin¹ B12 jest szczególnie

wa¿na w przypadku wegan i wegetarian, jednak ze wzglêdu na wyniki tych badañ

stosowanie preparatów z Arthrospira w tym celu nie jest polecane (9).

Arthrospira jest bardzo dobrym Ÿród³em makro- i mikroelementów takich jak

¿elazo, wapñ, fosfor, potas, miedŸ, chrom, cynk i selen. ¯elazo pochodz¹ce z prepa-

ratów z Arthrospira (580-1800 mg/kg) jest dwukrotnie lepiej przyswajalne ni¿ ¿elazo

pochodz¹ce z warzyw i wiêkszoœci miês. Ponadto biomasa Arthrospira jest du¿o lep-

szym Ÿród³em ¿elaza ni¿ powszechnie stosowane suplementy diety zawieraj¹ce ten

pierwiastek np. siarczan ¿elaza (przyswajalnoœæ wiêksza o 60%). To zjawisko t³uma-

czy siê obecnoœci¹ w komórkach Arthrospira fikocyjaniny, której porfirynowa struk-

tura warunkuje tworzenie kompleksów z Fe. Takie po³¹czenie sprzyja wysokiej

przyswajalnoœci ¿elaza. W innej teorii mówi siê, ¿e pomiêdzy ¿elazem a powierzch-

ni¹ bia³ek tworz¹ siê wi¹zania jonowe, przez co u³atwione jest uwalnianie ¿elaza

podczas trawienia. Prawdopodobnie obie pule tego pierwiastka wystêpuj¹ jedno-

czeœnie (10). Zawartoœæ wapnia, fosforu i magnezu w preparatach z Arthrospira jest

zbli¿ona do iloœci znajduj¹cych siê w mleku (4).

Arthrospira jest równie¿ Ÿród³em barwników: chlorofilu i wspomnianych karote-

noidów oraz fikocyjaniny. Chlorofil pobudza perystaltykê jelit, reguluje wydzielanie

kwasów ¿ó³ciowych, ³agodzi stany zapalne oraz wspomaga przenoszenie impulsów

nerwowych w sercu. Fikocyjanina stymuluje uk³ad immunologiczny, dzia³a ochron-

nie na w¹trobê oraz ma w³aœciwoœci przeciwzapalne. Zarówno fikocyjanina, jak i ka-

rotenoidy s¹ antyoksydantami (5,11).

Istotn¹ cech¹ biomasy uzyskanej z cyjanobakterii z rodzaju Arthrospira jest niska

zawartoœæ kwasów nukleinowych. Zawartoœæ RNA w komórkach A. maxima i A. platensis

122

PRACE PRZEGL¥DOWE

Biotechnologiczny potencja³ cyjanobakterii z rodzaju Arthrospira

waha siê od 2,2 do 3,5%, natomiast zawartoœæ DNA – od 0,6 do1% suchej masy, co

w sumie daje ca³kowit¹ iloœæ kwasów nukleinowych mniejsz¹ ni¿ 5% suchej masy, która

w porównaniu z wartoœciami odnotowanymi dla bakterii czy jednokomórkowych dro¿-

d¿y (przeciêtnie 4-10%, a w hodowlach na skalê przemys³ow¹: 9-22%) jest znacznie ni¿-

sza (2). Produktem metabolizmu puryn jest kwas moczowy, którego wysokie stê¿enie

przyczynia siê do powstawania kamieni nerkowych i nasila objawy dny moczanowej.

Maksymalna dopuszczalna dzienna dawka kwasów nukleinowych dla doros³ego

cz³owieka wynosi 4 g. Iloœæ ta znajdujê siê w oko³o 80 g suchej biomasy Arthrospira ,co

znacznie przewy¿sza rekomendowane dzienne spo¿ycie tej cyjanobakterii (2,4).

Dzisiejsze rolnictwo nie jest w stanie zapewniæ ca³ej populacji ludzkiej wystar-

czaj¹cego zasobu pe³nowartoœciowej ¿ywnoœci. Hodowanie mikroorganizmów

w celu dostarczania pokarmu jest, jak siê wydaje, atrakcyjnym rozwi¹zaniem, gdy¿

nie koliduje z tradycyjnymi uprawami l¹dowymi, w mniejszym stopniu zale¿y od wa-

runków pogodowych, a ponadto, w przeliczeniu na jednostkê powierzchni i czasu,

daje wysokie plony. Niestety pierwsze próby pozyskiwania bia³ek z organizmów

jednokomórkowych (SCP, ang. single cell protein ) takich jak bakterie czy dro¿d¿e (lata

60. i 70. ubieg³ego wieku) spotka³y siê z niechêci¹ spo³eczeñstwa. Ludzie obawiali

siê negatywnych skutków zdrowotnych bezpoœredniego spo¿ywania tego rodzaju

pokarmu, a nawet miêsa zwierz¹t karmionych SCP. Dodatkow¹ przeszkod¹ by³y

rosn¹ce ceny ropy naftowej, gdy¿ wiêkszoœæ mikroorganizmów hodowano na po-

¿ywkach zawieraj¹cych wêglowodory. Obecnie produkcja SCP jest wysoka, a uzy-

skan¹ biomasê wykorzystuje siê do produkcji paszy dla zwierz¹t (2).

Deficyt bia³ek, szczególnie we wczesnych etapach ¿ycia, powoduje nieodwracal-

ne zmiany w rozwoju fizycznym i psychicznym. Zapewnienie organizmowi odpo-

wiedniej iloœci kalorii rzadko ³¹czy siê z zaspokojeniem zapotrzebowania na bia³ko.

Dlatego tak wa¿ne jest masowe wytwarzanie produktów, które uzupe³nia³yby dietê,

dostarczaj¹c odpowiednie iloœci bia³ka i substancji od¿ywczych. Wykorzystanie

w tym celu preparatów z Arthrospira jest obiecuj¹cym rozwi¹zaniem ze wzglêdu na

nastêpuj¹ce czynniki (2):

– wysok¹ zawartoœæ aminokwasów,

– bia³ka Arthrospira nie wywo³uj¹ alergii; mog¹ zatem uzupe³niaæ dietê osób

uczulonych na bia³ka zawarte w jajkach czy mleku,

– zawartoœæ witamin, kwasów t³uszczowych (przede wszystkim -linolenowego)

oraz makro- i mikroelementów,

– nisk¹ zawartoœæ kwasów nukleinowych,

– brak celulozy w œcianie komórkowej, co u³atwia trawienie,

– naturalnie wystêpowanie tych cyjanobakterii w subtropikalnych i tropikalnych

rejonach, czyli tam, gdzie problem niedo¿ywienia jest powszechny,

– wysok¹ produktywnoœæ hodowli,

– mo¿liwoœæ prowadzenia hodowli na nieurodzajnych terenach, przy wykorzy-

staniu nadwy¿ki CO 2 pochodz¹cego ze spalania paliw lub ciep³ej wody z zak³adów

ch³odniczych,

BIOTECHNOLOGIA 3 (82) 119-142 2008

123

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: