Ученые обнаружили ранее неизвестную молекулу природного солнцезащитного средства
Ученые обнаружили ранее неизвестное природное соединение, вырабатываемое теплолюбивыми цианобактериями, которое помогает защитить от ультрафиолетового излучения.
Натуральные солнцезащитные компоненты могут защитить кожу от вредного излучения, одновременно снижая риск аллергических реакций. В недавнем исследовании ученые идентифицировали ранее неизвестное соединение, называемое β-глюкозо-связанным гидроксимикоспорин-саркозином, которое вырабатывается теплолюбивыми цианобактериями при воздействии на них УФ-А/УФ-В излучения и высокой концентрации соли.
В отличие от известных микоспориноподобных аминокислот (МАА), это соединение образуется альтернативным биосинтетическим путем. Это открытие открывает новые возможности для промышленной биотехнологии, направленной на разработку природных УФ-фильтрующих веществ.
Цианобактерии — это фотосинтезирующие микроорганизмы, выделяющие кислород и хорошо известные своей способностью выживать в экстремальных условиях. Чтобы справиться с сильным стрессом, они синтезируют широкий спектр химических соединений, включая как первичные, так и вторичные метаболиты. К ним относятся микоспориноподобные аминокислоты (МАА), представляющие собой небольшие водорастворимые молекулы, поглощающие ультрафиолетовое (УФ) излучение.
МАА помогают защитить клетки от УФ-повреждений, а также действуют как антиоксиданты, нейтрализуя связанные со стрессом активные формы кислорода (АФК). Хотя все МАА имеют схожую основную структуру, многие из выявленных на данный момент форм значительно различаются по своему химическому составу, что влияет на их биологическое функционирование.
Необходимость в более безопасных альтернативах солнцезащитным средствам
По мере роста обеспокоенности по поводу увеличения воздействия УФ-излучения и роста заболеваемости раком кожи исследователи активно ищут биологически полученные соединения, которые могут обеспечить эффективную защиту от солнца. Традиционные химические солнцезащитные средства могут блокировать УФ-излучение, но они часто связаны с раздражением кожи, аллергическими реакциями и другими нежелательными эффектами.
В отличие от них, МАА биосовместимы и широко считаются безопасными для использования человеком, что делает их особенно привлекательными для устойчивых биотехнологий и крупномасштабного производства натуральных ингредиентов для солнцезащитных средств.
В новом исследовании группа ученых под руководством профессора Хакуто Кагеямы из Университета Мэйдзё и профессора Рунгарун Вадити-Сирисатхи из Университета Чулалонгкорн обнаружила новую молекулу MAA, выделенную из термальных цианобактерий, обитающих в горячих источниках Таиланда. Это открытие также способствует пониманию стратегий выживания этих цианобактерий в экстремальных условиях окружающей среды.
«Понимание стресс-реактивного биосинтеза у экстремофильных цианобактерий может ускорить развитие промышленной биотехнологии для производства природных пигментов и антиоксидантов», — отмечает профессор Кагеяма, рассказывая о мотивации исследования. Результаты были недавно опубликованы в журнале Science of The Total Environment.
Структура и биосинтез GlcHMS326
Группа исследователей выделила восемь термофильных штаммов цианобактерий из горячего источника Бо Кхлуенг в провинции Ратчабури, Таиланд. В ходе экспериментальной установки штамм BRSZ вида Gloeocapsa продуцировал новое УФ-поглощающее соединение в ответ на воздействие УФ-А и УФ-В излучения.
Это соединение, идентифицированное как β-глюкозо-связанный гидроксимикоспорин-саркозин (GlcHMS326), было дополнительно проанализировано для детального понимания его структуры и функционального механизма. Это новое соединение подвергается тройной химической модификации — гликозилированию, гидроксилированию и метилированию, — которые ранее не были описаны для МАА, полученных из цианобактерий. Генетический анализ показал, что эти цианобактерии обладают уникальной ветвью генов, связанных с этими модификациями.
Функциональные преимущества в условиях экологического стресса
Производство GlcHMS326 сильно индуцируется УФ-А и УФ-В излучением и солевым стрессом. Интересно, что, несмотря на то, что цианобактерии получены из горячих источников, производство этого конкретного МАА не связано с термическим стрессом.
Химические модификации в GlcHMS326 обуславливают его уникальные структурные и функциональные свойства. Метилирование может повысить стабильность, свойства поглощения УФ-излучения и антиоксидантную способность соединений MAA. Предполагается, что гликозилирование MAA повышает их стабильность и способствует фотозащите и антиоксидантной защите.
Это соединение демонстрирует более высокую способность к нейтрализации свободных радикалов по сравнению с каноническими MAA, что указывает на то, что модифицированная структура GlcHMS326 способствует повышению его антиоксидантного потенциала.
Экологическое и биотехнологическое значение
Результаты этого исследования способствуют пониманию того, как цианобактерии, обитающие в экстремальных условиях, уникальным образом развили метаболические пути для производства особого природного вещества, поглощающего УФ-излучение. Эта уникальная MAA играет ключевую роль в устойчивости к абиотическим стрессам у видов Gloeocapsa и, вероятно, выполняет множество функций в этих термофильных цианобактериях.
Подчеркивая важность исследования, профессор Вадитее-Сирисатта отмечает: «Цианобактерии считаются уникальными в мире микроорганизмов. Наше недавнее исследование подчеркивает, что экстремофильные цианобактерии не только имеют важное экологическое значение, но и представляют собой ключевую область исследований для многих дисциплин».
