Биологическая активность соединений, полученных из цианобактерий, и их использование



Биологически активные соединения имеют высокую ценность в фармацевтической промышленности, но они не были широко изучены. Эти соединения, полученные из грибов и бактерий, могут удовлетворить лишь небольшую часть растущего спроса. В последние годы большое внимание уделялось цианобактериям, поскольку они являются одним из объектов, накапливающих большие запасы биологически активных молекул, имеющих широкое фармацевтическое значение. Цианобактерии могут выдерживать экстремальные условия и обладают большой способностью производить биологически активные соединения, которые могут удовлетворить мировой спрос в качестве альтернативного источника лекарств с экономической стабильностью. Таким образом, подходы к созданию цианобактерий в качестве терапевтических агентов, специально нацеленных на антимикробную активность, могут иметь светлое будущее в научных исследованиях, которые будут инвестированы в фармацевтическую промышленность, а также в промышленное использование.

Ключевые слова: цианобактерии, биологически активные вещества, жирные кислоты, пептиды, вторичные метаболиты.

За последние несколько лет из-за экспоненциального роста населения и изменения образа жизни микроорганизмы развили устойчивость ко многим препаратам, используемым для лечения многих инфекционных заболеваний [1, 2]. Однако возникло множество проблем с фармацевтическим использованием растений, которые потребовали бы аутентификации растительного сырья, крупномасштабного промышленного производства биологически активных растительных продуктов для удовлетворения бесконечных потребностей растущего населения [3].

Это привело к необходимости обнаружения антимикробных соединений в микроорганизмах. Среди микроорганизмов цианобактерии имеют значительную поддержку как естественный источник активных молекул с широкой биологической активностью, таких как антибиотики, противовирусные, противоопухолевые, антиоксидантные и противовоспалительные [4]. Цианобактерии являются очень важным источником биологически активных вторичных метаболитов и могут использоваться для биологической борьбы с патогенами [5].

Вторичные или первичные метаболиты цианобактерий состоят из различных групп химических соединений. Несколько исследователей изучили биологически активные соединения с различным спектром биологической активности и химической структуры, включая новые циклические и линейные липопептиды, жирные кислоты, алкалоиды и другие органические химические вещества [6].

Биологическая активность соединений, полученных из цианобактерий

По ранним данным, около 3,5 миллиардов лет назад цианобактерии, сине-зеленые водоросли, были одними из старейших организмов на земле, известных как фотосинтезирующие прокариоты [7]. Показывает, что биологически активные соединения противоречат синтетическим препаратам по составу и расположению радикалов и атомов. Они гораздо более эффективны в подавлении белково-белковых взаимодействий, которые приводят к передаче сигналов, не причиняя большого вреда живым организмам при эффективном иммунном ответе [8].

Однако несколько соединений, таких как хассаллидин, хапалиндол и Y-лактон, были выделены из Nostoc sp.Nostoc calcicola,Fischerella sp. и Scytonema sp . Он стал важным благодаря своей антимикробной активности в области биотехнологии [9]. Необходимы дополнительные исследования для выделения биологически активных соединений с антимикробными свойствами из цианобактерий для улучшения жизни общества. Цианобактерии могут быть потенциальным источником таких соединений, которые могут оказывать гемолитическое или антигемолитическое действие на эритроциты человека. Таким образом, многие виды цианобактерий требуют оценки их потенциальной гемолитической активности, чтобы их можно было классифицировать как безопасные методы лечения заболеваний.

Биосинтез биологически активных соединений у цианобактерий

Биологически активные соединения включают терпены, алкалоиды, жирные кислоты, соединения, поглощающие ультрафиолетовое излучение, пептиды и поликетиды и т. д. биосинтез пептидов в цианобактериях происходит как рибосомным, так и нерибосомным путями [10].

Цианобактерии поликетида состоят из цис-и транс -ацилтрансфераз. Цис-поликетидсинтаза содержит повторяющиеся ацилтрансферазы. Нерибосомальные пептиды синтезируются нерибосомальными пептидсинтетазами. Каждый небибосомальный пептидный модуль добавляет одну молекулу аминокислоты к растущей аминокислотной последовательности [12]. Домен аденилирования (A), белок-носитель пептидила и домен конденсации (C) необходимы для активации и идентификации аминокислоты для перемещения аминокислоты и создания пептидной связи соответственно. Кроме того, домен тиоэстеразы (TE) играет ключевую роль в высвобождении конечного соединения и останавливает удлинение цепи.

Выделение биологически активных соединений из цианобактерий

Биологически активные соединения, такие как жирные кислоты, полисахариды и пигменты (каротиноиды и полифенолы), получают различными традиционными, общепринятыми и современными методами. Традиционные методы получения твердых и жидких растворов обычно требуют высокой энергии, большого количества органических растворителей, большого количества времени. Чтобы устранить эти недостатки, передовые экологически чистые технологии экстракции, такие как зеленая технология, продемонстрировали ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами, включая менее используемый растворитель, более короткое время экстракции и более низкие температурные характеристики.

Эти методы обладают хорошей селективностью для выделения необходимых соединений, не вызывают побочных реакций при экстракции [13]. Из-за различий в физических и химических свойствах биологически активных соединений используется метод экстракции в зависимости от размера. Важно найти подходящий способ получения целевого биологически активного соединения и оптимизировать процедуру экстракции.

Фикобилипротеиды (крупные полисахариды агар и целлюлоза) получают из Rhodophyta с помощью ультразвука, мацерации и гомогенизации, мацерации и замораживания в присутствии жидкого азота и других традиционных методов [14].

Современные методы экстракции биологически активных соединений, включая ультразвуковую экстракцию (UAE), жидкостную экстракцию под давлением (PLE), сверхкритическую жидкостную экстракцию (SFE) и микроволновую экстракцию (MAE), используются из-за их преимуществ перед традиционными методами.

Стратегии крупномасштабного производства биомассы цианобактерий и биологически активных соединений с фармакологическими преимуществами

Научные исследования всегда направлены на поиск их использования для благополучия человека. Поэтому любое исследование, связанное с его использованием, должно быть направлено на две цели. Во-первых, его безопасность для людей или целевого носителя, а во-вторых, его экономическая эффективность. Исследователи и ученые по всему миру всегда пытались использовать различные новые технологии для производства продуктов с добавленной стоимостью по низким ценам. Стоимость извлечения биоактивных соединений из цианобактерий может быть снижена за счет использования фотобиореактора и повышения эффективности цианобактерий с помощью генной инженерии. Весь процесс получения биоактивных соединений может быть рентабельным за счет увеличения физиологических факторов и факторов окружающей среды за счет оптимизации метода экстракции в отношении питательной среды, pH, температуры, технологии удаления клеток и т. д., которые способствуют получению биоактивных соединений.

Существует два типа фотобиореакторов: открытые биореакторы и закрытые фотобиореакторы. Но для биологически активных веществ с фармакологическим применением предпочтительны в основном закрытые биореакторы для предотвращения загрязнения [15].

С появлением новых технологий особое внимание было уделено молекулярному уровню, что означает, что гены, ответственные за производство биологически активных соединений, могут быть амплифицированы с помощью технологии рекомбинантной ДНК (рис.1).

Рис. 1. Технологическая схема повышения эффективности использования биоактивного соединения цианобактерий в фармакологической практике

Перспективы цианобактерий на будущее

Цианобактерии являются многообещающими источниками полезных натуральных продуктов. Действительно, существует широкий спектр применений цианобактерий в биотехнологии. Существует большой потенциал для дальнейшего использования ресурсов цианобактерий для различных биотехнологических приложений. В настоящее время растет выделение ряда натуральных продуктов. Однако на рынок пришло всего несколько соединений. Ограниченное количество идентифицированных биомолекул цианобактерий и аналогов находится в клинических испытаниях, и некоторые из них прошли этапы клинических испытаний, чтобы доказать их пригодность в качестве потенциальных лекарств. Чтобы найти новые доступные возможности, у них есть острая необходимость в крупномасштабных исследованиях в новой развивающейся области исследований наркотиков, и эту проблему следует рассматривать как приоритетную область исследований.

Заключение

В заключение следует отметить, что исследования новых натуральных продуктов в качестве противомикробных средств против резистентных патогенов имеют решающее значение для клинической медицины и общественного здравоохранения. Цианобактерии могут выдерживать экстремальные условия и обладают большой способностью производить биологически активные вторичные метаболиты, которые могут быть полезны непосредственно или в качестве добавок для борьбы с болезнями человека. Таким образом, современные исследования должны быть активизированы с целью получения эффективных, нетоксичных, экологически чистых природных биологически активных соединений, которые можно использовать в фармацевтической промышленности. К этому времени мало что было сделано для биологически активного соединения цианобактерий. Итак, в этой статье мы попытались оценить разнообразие цианобактерий и их производство, а также экстракцию биологически активных соединений.

Литература:

1. Tanwar, J., Das, S., Fatima, Z. and Hameed, S. 2014. Multidrug Resistance: An Emerging Crisis. Interdisciplinary Perspectives on Infectious Diseases, 2014: 1–7.
2. Jain, S.K. 2017. Medicinal Plants, Pleione, 11(1): 176.
3. Bijauliya, R.K., Alok, S., Chanchal, D.K. and Kumar, M. 2017. A Comprehensive Review on Standardization of Herbal Drugs. International Journal of Pharmaceutical Sciences and Research, 8(9): 3663–3677.
4. Hassouani, M., Sabour,B., Belattmania, Z., ElAfouani, S., Reani, A., Ribeiro, T., Castelo-Branco R., Ramos, V., Preto M., Costa, P.M., Urbatzka, R., Lero,P. and Vasconcelos, V. 2017. In-vitro Anticancer, Antioxidant And Antimicrobial Potential of Lyngbya Aestuarii (Cyanobacteria) From Atlantic Coast Of Morocco, Journal of Materials and Environmental Sciences, 8 (S): 4923–4933
5. Ramya, VP. and Muralitharan, G. 2019. Evaluation of Antibacterial Activity Of Cyanobacteria Isolated From Fresh Water Ecosystem Of Tiruchirappalli, District, Tamil Nadu, India, Research journal of Life science, Bioinformatics. Pharmaceutical and Chemical Sciences, 5(2): 331–344.
6. Singh, J. S., Kumar, A., Rai, A. N., and Singh, D. P. 2016. Cyanobacteria: A Precious Bio-Resource In Agriculture, Ecosystem, and Environmental Sustainability. Frontier Microbiology, 7:529..
7. Nowruzi, B., Haghighat, S., Fahimi, H. and Mohammadi, E. 2017. Nostoc Cyanobacteria Species: A New And Rich Source of Novel Bioactive Compounds With Pharmaceutical Potential. Journal of Health Services and Research, 9(1): 5–12.
8. Guaadaoui, A., Benaicha, S., Elmajdoub, N., Bellaoui, M and Hamal A. 2014. What is a bioactive compound? A Combined Definition for A Preliminary Consensus. International Journal of Nutrition and Food Sciences, 3(3): 174–179
9. Singh, J. S., Kumar, A., Rai, A. N., and Singh, D. P. 2016. Cyanobacteria: A Precious Bio-Resource In Agriculture, Ecosystem, and Environmental Sustainability. Frontier Microbiology, 7:529.
10. Marahiel, MA and Essen, LO. 2009. Chapter 13. Nonribosomal Peptide Synthetases Mechanistic and Structural Aspects Of Essential Domains. Methods Enzymology, 458: 337–351.
11. Helfrich, EJN., Reiter, S. and Piel J. 2014. Recent Advances In Genome-Based Polyketide Discovery. Current Opinion in Biotechnology. 29: 107–115.
12. Kehr, J.C., Picchi, DG and Dittmann, E. 2011. Natural Product Biosyntheses In Cyanobacteria: A Treasure Trove Of Unique Enzymes. Beilstein, Journal of Organic Chemistry, 7: 1622–1635.
13. Duarte, K., Justino, C. I. L., Pereira, R., Freitas, A.C., Gomes, A.M., Duarte, A.C., et al., 2014. Green analytical methodologies for the discovery of bioactive compounds from marine sources. Trends Environ. Anal. Chem. 3, 4352. Available from: https://doi.org/10.1016/j.teac.2014.11.001.
14. Mittal, R., Tavanandi, H.A., Mantri, V.A., Raghavarao, K. S. M.S., 2017. Ultrasound assisted methods for enhanced extraction of phycobiliproteins from marine macro-algae, Gelidium pusillum (Rhodophyta). Ultrason. Sonochem. 38, 92103. Available from: https://doi.org/10.1016/j. ultsonch.2017.02.030.
15. Singh, S., Kate, BN. And Banerjee, UC.2005. Bioactive Compounds from Cyanobacteria and Microalgae: An Overview. Critical Review of Biotechnology, 25(3):73–95.