Астаксантин обнаружен у значительного числа видов организмов, которые охватывают широкое таксономическое разнообразие, варьирующееся от бактерий до нескольких царств эукариот, то есть грибов (дрожжей), водорослей, высших растений и животных. В таблице 2 представлена информация о примерных количествах и изомерах AX у основных видов. За исключением животных, организмы, обладающие AX, способны синтезировать его de novo либо немевалонатным путем (также известным как путь MEP), либо мевалонатным путем. Немевалонатный путь включает превращение пирувата и глицеральдегид-3-фосфата в 1-дезокси-D-ксилулозо-5-фосфат (DXP) и 2-C-метил-D-эритритол-4-фосфат (MEP) [177]. . Более подробную информацию об этих путях можно найти в разделе 2.3.
Бактерии и археи
Среди бактерий было обнаружено, что род Paracoccus, принадлежащий к классу α-Proteobacteria (Alphaproteobacteria) типа Proteobacteria, продуцирует (3S,3'S)-AX [178,179,180].
Кроме того, сообщалось, что другие бактерии, такие как виды Brevundimonas, Sphingomonas и Altererythrobacter, обладают способностью продуцировать AX [181,182,183,184,185,186].
У этих бактерий биосинтез AX происходит из β-каротина посредством реакций оксигенации, катализируемых двумя ферментами, называемыми CrtZ и CrtW. Двумя ферментами являются β-C3-гидроксилаза [β-каротин (β-каротиноид) 3,3’-гидроксилаза] и β-C4-кетолаза [β-каротин (β-каротиноид) 4,4’-кетолаза (оксигеназа)] и облегчают многоступенчатые реакции гидроксилирования и кетолирования (оксигенирования) в положениях C3 и C4 β-иононового кольца (β-концевая группа) соответственно (рис. 8) [37]. β-C3-гидроксилаза CrtZ-типа, ответственная за гидроксилирование положений C3 и C3' β-иононовых колец, образует единую стереоконфигурацию, что приводит к образованию (3S,3'S)-AX со специфическим абсолютным оптическая конфигурация [187,188].
Интересно было обнаружено, что тип Cyanobacteria, являющиеся фотоавтотрофными бактериями, обладает отдельной β-C3-гидроксилазой, обозначенной CrtR, которая демонстрирует умеренную гомологию не с CrtZ, а с CrtW [189].
Более того, было показано, что цианобактерии сохраняют отдельную β-C4-кетолазу, обозначенную CrtO, которая демонстрирует значительную гомологию с CrtI (фитоендесатураза) [190] в дополнение к CrtW.
Таким образом, их присутствие теоретически могло привести к образованию AX. Однако из-за субстратной специфичности этих ферментов основными каротиноидами являются не AX, а его ранние предшественники, такие как 3'-OH-эхиненон, эхиненон и зеаксантин, а также другие каротиноиды, родственные цианобактериям, такие как гликозиды миксола.
Таким образом, AX обычно отсутствует или содержит лишь следовые количества каротиноидов у цианобактерий [191,192], в то время как в предыдущих отчетах, несмотря на некоторые споры относительно аналитических методов и точности, описывалось присутствие AX как конститутивного каротиноида в этом типе [193].
Причина объясняется крайне низкой или нулевой реакционной способностью цианобактериального CrtR по отношению к субстрату с 4-кето-β-концевой группой.
CrtR обычно опосредует синтез миксол-2'-фукозида благодаря его β-C3-гидроксилазной активности, в то время как Synechocystis sp. PCC 6803 CrtR может превращать β-каротин в зеаксантин, как показал функциональный анализ с использованием E. coli [189,191]. Аналогично, функциональный анализ с E. coli показал, что цианобактериальный CrtO также проявляет очень низкую или вообще не проявляет реактивность по отношению к субстрату с 3-гидрокси-β-концевой группой, поскольку CrtO регулирует синтез эхиненона из β-каротина посредством своей β-C4-кетолазной активности. (рис. 8) [194]. Более того, было обнаружено, что ферменты CrtW цианобактерий обычно сохраняют гораздо меньшую активность для такого субстрата по сравнению с белками CrtW Paracoccus и Brevundimonas [195].
Кстати, недавнее исследование показало, что введение генов crtW и crtZ из Brevundimonas sp. SD212 в Synechococcus sp. PCC 7002, тип цианобактерий, привел к производству и повышению продуктивности AX [191]. Хотя эти продукты AX встречаются в этих бактериях преимущественно в свободной форме, сообщалось, что Agrobacterium aurantiacum (собственно штамм Paracoccus sp. N81106) продуцирует гликозилированный AX, т.е. моноглюкозид AX [196]. Кроме того, Sphingomonas astaxanthinifaciens и S. lacus PB304 также содержат дирхамнозид AX и дидезоксиглюкозид AX соответственно [197,198,199]. Ген фермента, образующего эти гликозиды, crtX, был обнаружен в полных кластерах генов Paracoccus sp. штамм N81106 [37 200] и род Sphingomonas.
Такая активность CrtX была предложена при использовании Pantoea ananatis CrtX с AX-продуцирующей рекомбинантной E. coli [201].
Однако функциональный анализ с использованием E. coli не подтвердил способность предполагаемого гена Sphingomonas опосредовать такие реакции гликозилирования [188,198].
Более того, присутствие AX также было причастно к типам Actinomycetota и Deinococcota (Deinococcus-Thermus); однако надежный структурный анализ AX и его генов биосинтеза в этих типах все еще отсутствует. Более подробная информация о пути биосинтеза бактериального AX обсуждается в разделе 2.3. Действительно вполне вероятно, что AX может играть защитную роль в клетках, подвергающихся интенсивному солнечному свету и высоким уровням естественной радиации.
Бактерии, продуцирующие AX, например, обнаруженные на поверхности океана, в прибрежных районах и горячих источниках, обитают в средах, где они подвергаются суровым условиям [181,182,183,184,196,202].
AX, обладающий антиоксидантными свойствами, способен удалять свободные радикалы, образующиеся под воздействием УФ-излучения, и защищать клетки от окислительного повреждения.
Кроме того, способность AX поглощать и рассеивать избыточную световую энергию также может способствовать фотозащите клеток. Эти механизмы позволяют предположить, что AX может служить естественным защитным механизмом против разрушительного воздействия солнечного света и радиации на эти бактерии.
Было высказано предположение о присутствии AX у галофильных архей, которые процветают в средах с высокой соленостью, где другие организмы не могут выжить [203,204].
В частности, исследования Halobacterium salinarum R1 показали, что истощение гена CYP174A1, который кодирует цитохром P450 (CYP; P450), приводит к снижению продукции AX. Примечательно, что в геноме H. salinarum отсутствуют гены, кодирующие β-C3-гидроксилазу CrtZ-типа или CrtR-типа, β-C4-кетолазу CrtW-типа или β-C4-кетолазу CrtO-типа, которые могут быть участвует в продукции AX у других организмов [204].
Это предполагает, что CYP174A1 может играть роль в биосинтезе AX у этих галофильных архей. Однако присутствие и распространение AX у архей в целом еще полностью не подтверждено, и для выяснения этого аспекта необходимы дальнейшие исследования.
Эукариоты; Водоросли и высшие растения
Стоит отметить, что некоторые зеленые водоросли, как известно, накапливают чрезвычайно высокие концентрации AX в клетках при ярком солнечном свете, высокой солености и условиях голодания (рис. 9). Наиболее известный пример — зеленые водоросли рода Hemacotococcus, в частности H. lacustris (Gir.-Chantr.) Rostaf. (=H. pluvialis Flot.).
Обратите внимание, что этот документ поддерживает официальное научное название H. lacustris (Gir.-Chantr.) Rostaf., согласно всестороннему мнению Ota et al. [220,221].
Описания водорослей Haematococcus (=H. lacustris), их биологии и жизненных циклов появились в работах немецкого ботаника Юлиуса фон Флотова в 1844 году и американского ботаника Трейси Эллиота Хейзена в 1899 году. Хотя ранние ботаники описали «кроваво-красный пигмент», вырабатываемый этой водорослью [222], позже было установлено, что это АХ [49,223].
Тем не менее, поскольку описание «H. плювиалис Флот». также часто встречается в многочисленных публикациях, во избежание недоразумений этот вид в данной статье именуется «водорослями Haematococcus», за исключением случаев, когда есть исключения при указании названия штамма. Недавняя реклассификация молекулярной генетики показала, что штаммы H. lacustris очень генетически разнообразны [224], а другие виды, ранее отнесенные к роду Haematococcus, могут быть реклассифицированы в отдельный род, возможно, оставив в этом роде только один вид - H. lacustris. [48]. Свойства и промышленное производство этой водоросли подробно представлены в разделе
3.3. В водорослях Haematococcus (3S,3'S)-AX присутствует в виде сложного эфира жирной кислоты, связанного с гидроксильной группой в положении C3, C'3, при этом основным компонентом является моноэфир. Сообщалось также, что другие специфические виды зеленых водорослей, принадлежащие к родам Acutodesmus, Asterarcys, Bracteacoccus, Botryococcus, Chlamydomonas, Chlorella (Chromocloris), Chlorococcum, Coelastrella, Monoraphidium, Neochromis, Protosiphon, Sanguina, Scenedesmus, Scotiellopsis, Tetraedron и Vischeria, накапливают АК преимущественно в сложных эфирах и/или свободной форме, а также в белок-связывающих формах [114,225,226,227,228,229,230,231,232,233,234,235,236,237,238,239,240,241,242]
Другим примером являются сложные эфиры жирных кислот диглюкозида AX, о которых сообщалось из устойчивых к низким температурам водорослей (Chlamydomonas nivalis), произрастающих на снежниках и ледниках в Альпах и полярных регионах по всему миру [229].
Интересно, что в совсем недавнем сообщении был выделен Dysmorphococcus globosus-HI, принадлежащий к семейству Phacotaceae порядка Chlamydomonadales, класса Chlorophyceae, из гималайского региона на севере Индии, и было обнаружено, что на долю AX приходится около 56% сухой внутриклеточной массы.
Однако, похоже, необходимы воспроизводимость и дальнейшие исследования этого отчета [243].
Кроме того, многие другие фитопланктоны также производят или накапливают каротиноиды, включая AX [244, 245].
Поэтому вполне вероятно, что накопление каротиноидов у высших животных по пищевой цепи является результатом присутствия каротиноидов в планктоне [246].
Жизненный цикл водорослей гематококк. (A) Три различные морфологии клеток типичной водоросли Haematococcus. (B) Жизненный цикл: когда старые культуры трансплантируют в свежую среду, кокковидные пальмеллоидные клетки подвергаются клеточному делению с образованием жгутиковых клеток внутри материнской клеточной стенки. После прорастания жгутиковые клетки оседают и образуют пальмеллоидные клетки. Экологический стресс, такой как сильный свет, истощение питательных веществ и/или высокая соленость, ускоряет накопление астаксантина во время инцистирования. Этот рисунок был воспроизведен с некоторой дополнительной информацией со ссылкой на [247] в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License.
В этих водорослях AX обеспечивает клеткам водорослей три биологических преимущества: (1) стабилизацию покоящихся клеток. Некоторые из этих водорослей при сильном экологическом стрессе образуют неподвижные, долговечные и устойчивые к окружающей среде цисты, называемые апланоспорами, как описано выше. Эти цисты представляют собой покоящиеся клетки, подобные семенам растений, с уменьшенным объемом хлоропластов и высоким накоплением капель масла, содержащих высокие концентрации АХ в цитоплазме [223,247,248,249,250,251]. В случае водорослей Haematococcus зрелые клетки кисты (также часто называемые апланоспорами [221, 252] или акинетами [224]) имеют темно-алый цвет (рис. 9). Биологический механизм этого уникального накопления в каплях нефти подробно показан в разделе 2.3.1, где приводится пример биосинтеза AX в водорослях Haematococcus. Считается, что AX защищает клетки и их хранящиеся компоненты, такие как липиды и ДНК, от окружающей суровой среды, включая интенсивное воздействие света [253]. (2) У снежных водорослей AX окружает и маскирует хлоропласты в водорослях, тем самым способствуя использованию длин волн красного света, которые гораздо более эффективны для поглощения CO2, чем зеленый или синий свет [254]. (3) Как и в случае с предполагаемой ролью в (2), сообщалось, что у водорослей Haematococcus AX в зелено-красных неподвижных клетках кисты, часто называемых пальмеллоидами, прежде чем стать зрелыми покоящимися клетками кисты алого цвета, локализуется в центр клетки (ядерная периферия) при нормальном освещении, но быстро диффундирует к периферии клетки при воздействии сильного света. В клетках, где AX полностью переместился на периферию, тонкий слой AX обнаруживается прямо под клеточной стенкой, и если эти клетки поместить в темноту, AX перераспределяется в центр клетки (ядерная периферия) [250, 255] . Было высказано предположение, что этой транслокации могут способствовать актиновые филаменты [255]. Во всех случаях (1)–(3) AX, вероятно, выполняет аналогичную физиологическую функцию с точки зрения защиты фотосинтетических органов и внутриклеточных компонентов от интенсивного света. Другие организмы, такие как E. sanguinea, которая накапливает эфиры жирных кислот AX [217, 256], и C. astaxanthina Ki-4, которая продуцирует комплекс AstaP и AX [257], демонстрируют сходные реакции, которые накапливают производные AX под интенсивным светом. , что позволяет предположить, что AX играет одну и ту же роль в самых разных видах микроводорослей.
У наземных высших растений каротиноиды служат вспомогательными пигментами при фотосинтезе. Они улавливают световую энергию в виде пигментов антенн, а также гасят активные формы кислорода (АФК), генерируемые фотосинтетическим реакционным центром под интенсивным светом [112] (см. также раздел 2.1.7).
Эти первичные каротиноиды обычно расположены в тилакоидных мембранах хлоропластов и необходимы для эффективных реакций фотосинтеза. Они биосинтезируются в хлоропластах и присутствуют также внутри хлоропластов [258,259]. Однако у наземных высших растений каротиноиды часто накапливаются в хромопластах или липидных глобулах, не участвующих непосредственно в фотосинтезе.
Примеры включают каротиноиды, обнаруженные во фруктах, цветах и корнях многих растений, такие как ликопин в томатах и β-каротин в корнях моркови.
Эти каротиноиды известны как вторичные каротиноиды [5,259]. Как упоминалось ранее, AX редко встречается в качестве основного каротиноида, участвующего в фотосинтетической функции у высших растений.
Следовательно, AX считается вторичным каротиноидом, а не первичным каротиноидом, необходимым для фотосинтеза. В некоторых более ранних исследованиях сообщалось о присутствии АХ у конкретных высших растений [260].
Однако позже было подтверждено, что красноватые каротиноиды, обнаруженные в осенних листьях, на самом деле являются родоксантинами и их метаболитами [261,262].
В настоящее время единственными наземными растениями, у которых AX достоверно идентифицирован как основной каротиноид, являются красноватые лепестки некоторых видов, принадлежащих к роду Adonis семейства Ranunculaceae. В этих растениях (3S,3'S)-AX присутствует в виде диэфиров жирных кислот [17,263,264,265]. Тем не менее, остается вероятность того, что в будущем будут обнаружены высшие растения, содержащие AX, поскольку неоткрытые виды растений все еще могут существовать во всем мире.
Обзор путей биосинтеза астаксантина в бактериях, водорослях и растениях
Реакции β-C3-гидроксилирования и β-C4-кетоксилирования, участвующие в биосинтезе AX, присутствуют в широком таксономическом диапазоне организмов. Эти реакции в основном катализируются мембрано-интегральными дижелезными ферментами суперсемейства негемоксигеназ, а иногда и гем-зависимыми ферментами монооксигеназами цитохрома P450-типа. Подробная информация об этих ферментах представлена ниже. У протеобактерий, таких как роды Paracoccus и Brevundimonas, хорошо изучены гены, ответственные за биосинтез AX (см. раздел 2.2.1). AX синтезируется из β-каротина посредством скоординированного действия β-C3-гидроксилазы CrtZ-типа (β-каротин-3,3'-гидроксилазы; CrtZ) (EC: 1.14.15.24) и β-C4-кетолазы CrtW-типа ( β-каротин-4,4'-оксигеназа; CrtW) (EC: 1.14.99.63; включая неверное описание специфичности субстрата) с β-каротином в качестве исходного субстрата (см. Рисунок 8 и Рисунок 11) [37,399]. Однако из-за различий в реактивности ферментов у разных видов бактерии, продуцирующие AX, часто накапливают значительные количества предшественников, особенно адониксантина.
Перспектива: глобальный спрос и социальные потребности в астаксантине По данным Европейской комиссии, ожидается, что в ближайшие десятилетия доля пожилых людей в ЕС будет неуклонно увеличиваться. В настоящее время около 20% населения старше 65 лет; однако, по прогнозам, к 2070 году она достигнет примерно 30%. Ожидается, что доля людей старше 80 лет увеличится более чем вдвое, достигнув к тому времени 13% [911]. Подобные тенденции наблюдаются в Японии и других странах Восточной Азии, что делает это серьезной социальной проблемой. Япония обогнала страны ЕС и стала страной с наибольшей долей пожилых людей по данным статистики населения за 2022 год [912]. Этот демографический сдвиг оказывает существенное влияние на качество жизни людей и общества в целом. В Японии демографические прогнозы показывают, что к 2040 году число людей в возрасте 70 лет и старше превысит 25%, что приведет к сокращению рабочей силы, что признается серьезной проблемой [913].
Кроме того, кризис, вызванный пандемией COVID-19, затронул все аспекты нашей жизни. Учитывая масштаб, скорость и влияние социальных и экологических изменений по всему миру, государства-члены и Европейский Союз постоянно пересматривают, обновляют и предлагают новые планы действий для повышения устойчивости и решения возникающих проблем, влияющих на здоровье планеты. Среди потребителей растет осознание прямой связи между питанием, здоровьем и устойчивостью, что приводит к увеличению интереса к пищевым продуктам, охватывающим эти аспекты [914].
В недавнем докладе Организации Объединенных Наций подчеркивается вредное воздействие загрязнения воздуха, экстремальных погодных условий и отсутствия продовольственной безопасности на здоровье.
Без своевременного вмешательства эти экологические факторы риска приведут к повышенной смертности и еще больше поставят под угрозу физическое и психическое здоровье и благополучие человека. В нем подчеркивается, что здоровое старение как сейчас, так и в будущем тесно связано со здоровой планетой [915].
Существует несколько насущных экологических проблем, которые требуют серьезных превентивных и устойчивых действий для сохранения Земли и ее жителей. Эти проблемы включают изменение климата, утрату биоразнообразия, вырубку лесов, традиционную нехватку продовольствия и, как следствие, дефицит питательных веществ, что особенно влияет на распространенность и заболеваемость инфекционными и хроническими осложнениями для здоровья, особенно среди стареющего и уязвимого населения.
С 1950 года население Земли увеличилось почти вдвое, потребление ископаемого топлива увеличилось более чем на 550%, а вылов морской рыбы увеличился более чем на 350% [916].
Сельское хозяйство и аквакультура изначально были созданы для повышения продовольственной безопасности; однако их негативное воздействие на окружающую среду стало предметом широких дискуссий.
Хотя современная политика и технологические достижения позволили повысить эффективность и уменьшить воздействие на окружающую среду, некоторые серьезные проблемы сохраняются.
Например, в аквакультуре пищевая рыба (и наземные пищевые ресурсы) по-прежнему широко используется в качестве корма [917].
Однако осведомленность потребителей и потребности рынка растут в отношении более устойчивых, натуральных и полезных для здоровья альтернатив рыбной муке, включая «несинтетические» кормовые ингредиенты. Содержащая AX водорослевая мука, богатая AX, считается естественной и привлекательной альтернативой.
Было доказано, что он приносит рыбам такие преимущества, как усиление пигментации, размножения, устойчивости к болезням, выживаемости и роста [612].
Более того, натуральный AX исследуется как устойчивая и экологически чистая кормовая добавка, которая способствует здоровью и продуктивности скота и сельского хозяйства [625,918,919]. После запрета антибиотиков AX стал потенциальной зеленой природной альтернативой благодаря своим естественным, неостаточным, антиоксидантным и иммунозащитным свойствам [626].
Микроводоросли и их биологически активные соединения привлекают внимание из-за их широкого спектра возможностей в различных областях применения, включая нутрицевтики, фармакологию, медицину, биоупаковку и производство биотоплива. Глобальное изменение климата, особенно глобальное потепление, является еще одной актуальной проблемой, оказывающей существенное воздействие на здоровье людей [920] и животных [921], влияющую на производительность и экономику.
По прогнозам, увеличение смертоносных волн тепла из-за изменения климата затронет около 30% населения мира в течение как минимум 20 дней в году, и ожидается, что к 2100 году это число увеличится на 74% без эффективных мер [922]. Необходимы срочные действия для перехода к более устойчивому образу жизни и производственной цепочке. AX продемонстрировал способность повышать устойчивость к тепловому стрессу, включая мышечные травмы, вызванные жарой, репродуктивную функцию и нарушения развития [615,619,621,631,638,923,924,925].
Европейская комиссия предложила план действий по полному использованию потенциала водорослей в Европе для более здорового питания, снижения выбросов CO2 и решения проблемы загрязнения воды.
План включает в себя 23 акта ионы, направленные на улучшение деловой среды, связанной с водорослями, повышение осведомленности потребителей и признание ими водорослей и продуктов на их основе, а также устранение пробелов в знаниях, исследованиях и технологиях [926]. Организация экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) также подчеркивает необходимость принятия правильных мер, чтобы избежать серьезного воздействия на климат, природные ресурсы, экосистемы и, в конечном итоге, на наше здоровье и благополучие [927].
Поскольку срок достижения Целей устойчивого развития (ЦУР) приближается к 2030 году, крайне важно повысить осведомленность и сосредоточить внимание на водорослях и полученных из них биоактивных соединениях, таких как AX, как устойчивых и способствующих укреплению здоровья решениях.
По состоянию на сентябрь 2022 г. было выявлено в общей сложности 87 предприятий по производству микроводорослей, базирующихся в 17 европейских странах [928]. Большинство производителей используют фотобиореакторы (PBR) для выращивания микроводорослей, которые предлагают такие преимущества, как снижение риска заражения, минимальное загрязнение окружающей среды и масштабируемость без необходимости обширных земельных или морских пространств. Продукты на основе микроводорослей набирают популярность, поскольку они способствуют созданию более зеленой планеты и оказывают благотворное влияние на здоровье. Интенсивные исследования соединений, полученных из микроводорослей, таких как AX, способствовали быстрому расширению их применения. AX, например, демонстрирует потенциал для борьбы с распространением инфекционных заболеваний с пандемическим потенциалом. Было показано, что он предотвращает окислительное повреждение, ослабляет воспалительные реакции и регулирует множество сигнальных путей, участвующих в воспалении [130,929].
Прогнозируется, что мировой рынок AX будет испытывать значительный рост, обусловленный новыми и существующими приложениями в нутрицевтическом и фармацевтическом секторах, с прогнозируемым совокупным годовым темпом роста (CAGR) 16,2% с 2022 по 2027 год [1,2,3].
Natural AX предлагает благодатную почву в различных областях, включая устойчивое укрепление здоровья, защиту окружающей среды и инновационное производство продуктов питания и кормов.
Он призван внести свой вклад в преобразование условий жизни на Земле. Идти к: 6.
Выводы
AX представляет собой каротиноид, практически не обладающий активностью провитамина А у млекопитающих, и встречается в виде пигмента в самых разных организмах, например, в морских продуктах.
С промышленной точки зрения AX можно производить экологически безопасным способом из неиспользованных ресурсов, таких как водоросли и остатки морепродуктов.
Спустя почти 100 лет после своего открытия AX был признан благодаря своей разнообразной полезности. Следовательно, его использование в других областях, помимо пигментов, быстро растет.
Первоначально АХ использовался для профилактического и терапевтического лечения воспалительных патологий, связанных с АФК, у людей из-за его сильных антиоксидантных свойств.
Однако недавно, когда постепенно был выяснен механизм его действия, было обнаружено, что он обладает аддитивными и синергетическими преимуществами, помимо его простой антиоксидантной функции.
Таким образом, AX — одно из обещанных благотворных благ природы, которое может стать одним из решений социальных проблем, с которыми человечество столкнется в будущем.