Цианобактерии: использование и применения
Использование Spirulina, как природного источника белка и витаминов для людей и животных, известно еще с античных времен [ Ciferri O. 1983 , Kay R.A. 1991 ]. Полагают, что еще с античных времен два вида, Spirulina maxima и Spirulina platensis , использовались в пищу в Мексике и в той части Африки, где сейчас расположена Республика Чад, соответственно. Цианобактерии Spirulina platensis и Spirulina maxima обладают необычно высоким для фотосинтетических организмов содержанием белка, составляющим до 70% сухого веса [ Ciferri O., Tiboni O. 1985 ]. Nostoc flagelliforme считается деликатесом в Китае [ Gao K. 1998 , Takenaka H., et al. 1998 ]. Другие цианобактерии используются в пищу в Индии и на Филиппинах [ Tiwari D.N. 1978 , Martinez M.R. 1988 ]. Аминокислотный состав S. maxima [ Clement G., et al. 1967 ], которая может расти на отходах животноводства [ Wu J., Pond W. 1981 ], делает ее одним из лучших фотосинтетических организмов для питания человека. Подобно другим микроводорослям, Spirulina используется как источник натуральных красителей в пищевой промышленности и как диетическая пищевая добавка [ Kay R.A. 1991 ]. Подобраны оптимальные физиологические условия (температура и pH) для выращивания нового изолята Spirulina sp., найденного в загрязненной нефтью солоноватой воде дельты Нигер, с целью получения биомассы и белкового синтеза [ Ogbonda K.H., et al. 2007 ]. Другие виды цианобактерий, включая Aphanizomenon flosaquae и Nostochopsis lobatus , также рассматриваются как перспективные источники микроводорослевой биомассы для пищевой индустрии [ Carmichael W.W., 2000 ], для получения пигментов и антиоксидантов [ Pandey U., Pandey J. 2008 ].
Иммобилизация на алюмоборосиликатном волокне клеток мутантов A.variabilis ATCC 29413, выделяющих ионы аммония в среду роста [ Полухина Л.Е. и др. 1982 ], демонстрирует возможность использования мутантов этой азотфиксирующей цианобактерии для биотехнологического получения аммиака. Такие мутантные штаммы, вероятно, могут рассматриваться в качестве возможных биофертилизаторов, например, на рисовых полях.
Обнаружено, что цианобактерии способны продуцировать фитогормон, индол-3-уксусную кислоту [ Sergeeva E., et al. 2002 ], который синтезируется в процессе установления симбиотических отношений между цианобактерией и высшим растением.
Цианобактерии могут быть использованы в качестве организмов, секретирующих белки в среду роста. Проведены исследования по идентификации семи секретируемых белков Synechocystis и охарактеризованы сигнальные последовательности, обеспечивающие их секрецию [ Sergeyenko T.V., Los D.A. 2000 , Sergeyenko T.V., Los D.A. 2003 ]. Показана возможность использования сигнальных последовательностей одного из идентифицированных секретируемых белков Synechocystis и его гомолога из этой же цианобактерии для секреции гетерологичного белка. Опыт по созданию рекомбинантных штаммов, способных секретировать чужеродные белки в среду культивирования важен для практического применения этих знаний и созданных с их учетом генно-инженерных конструкций в биотехнологии, в медицине и в фармакологии.
Цианобактерии образуют большое количество вторичных метаболитов, среди которых токсичные и биоактивные пептиды. Некоторые из токсинов и других цианобактериальных натуральных продуктов могут быть использованы в медицине [ Patterson M.L.G., et al. 1991 , Boyd M.R., et al. 1997 , Liang J., et al. 2005 ]. Разнообразные цианобактерии из микробиологических матов, растущих в придонных частях Антарктических озер, использовались для обнаружения новых антибиотиков и веществ, обладающих противоопухолевой активностью [ Biondi N., et al. 2008 ]. На сегодня известно порядка 800 молекул цианобактериального происхождения, среди которых фармакологически интересные вещества, обладающие противоопухолевым, антимикробным действием и вещества, понижающие повышенное кровяное давление. Многочисленные метаболиты, образуемые "биохимическими фабриками" цианобактерий, принадлежащих к Nostocaceae , представлены в обзоре [ Rezanka T., Dembitsky V.M. 2006 ].
В настоящее время особое внимание уделяется развитию нанотехнологий, включающих производство и использование материалов размером от микрона до размера индивидуальных атомов. Синтез наночастиц с использованием биологических источников вызывает огромный интерес вследствие их необычных оптических [ Krolikowska A., et al. 2003 ], химических [ Kumar A., et al. 2003 ], фотоэлектрохимических [ Chandrasekharan N., Kamat P.V. 2000 ] и электрических [ Peto G., et al. 2002 ] свойств. Цианобактерии также могут служить для синтеза наночастиц. Нитчатая цианобактерия Plectonema boryanum UTEX 485 применялась для биосинтеза золотых, серебрянных и палладиевых наночастиц [ Lengke M., Fleet M.E. 2006 , Lengke M., Ravel B. 2006 , Lengke M.V., et al. 2007 , Lengke M.V., Fleet M.E. 2007 ]. Plectonema boryanum UTEX 485 аккумулирует золото из растворов хлорида золота (III). При этом происходит взаимодействие цианобактерии с водным хлоридом золота (III), что сначала способствует преципитации наночастиц аморфного сульфида золота (I) на клеточных стенках, и затем происходит отложение металлического золота в форме октаэдральных (III) пластин рядом с клеточной поверхностью и в растворах [ Lengke M., Ravel B. 2006 ]. Металлические наночастицы в сочетании с цианобактериальными фотосинтетическими молекулярными комплексами могут рассматриваться в качестве основы для создания преобразующих энергию устройств и сенсоров, поскольку эффективность продукции химической энергии фотосинтетической системой значительно возрастает в присутствии металлических наночастиц. Показано, что гибридная фотосистема, которая включает в себя фотосинтетический реакционный центр, связанный с золотыми и серебряными нанокристаллами, имеет большую скорость генерации возбужденных электронов внутри реакционного центра вследствие плазмонного резонанса и быстрого разделения электронно-дырочных пар [ Govorov A.O., Carmeli I. 2007 ].
