Marine and freshwater microalgae as a sustainable source of cosmeceuticals
Морские и пресноводные микроводоросли как возобновляемый источник соединений с космецевтической активностью
Морские и пресноводные микроводоросли как возобновляемый источник соединений с космецевтической активностью
Дата
2021
Авторы (alternative)
Название журнала
Номер ISSN
Название тома
Издатель
Аннотация
A prominent feature of stress-tolerant microalgae is their versatile metabolism, allowing them to synthesize a broad spectrum of molecules. In microalgae, they increase stress resilience of these organisms. In human body, they exhibit anti-aging, anti-inflammatory, and sunscreen activities. This is not surprising, given that many of the stress-induced deleterious processes in human body and in photosynthetic cell are mediated by the same mechanisms: free-radical attacks and lipid peroxidation. It is also worth noting, that the photosynthetic machinery of microalgae is always at risk of oxidative damage since high redox potentials and reactive molecules are constantly generated during its functioning. These risks are kept at bay by efficient reactive oxygen species elimination systems including, inter alia, potent low-molecular antioxidants. Therefore, photosynthetic organisms are a rich source of bioactive substances with a great potential for curbing the negative effects of stresses, acting on human skin cells on a day-to-day basis. In many cases these compounds appear to be less toxic, less allergenic, and, in general, more “biocompatible” than most of their synthetic counterparts. The same algal metabolites are recognized as promising ingredients for innovative cosmetics and cosmeceutical formulations. Ever increasing efforts are being put into the search for new natural biologically active substances from microalgae. This trend is also fueled by the growing demand for natural raw materials for foods, nutraceuticals, pharmaceuticals, and cosmetology, associated with the global transition to a “greener” lifestyle. Although a dramatic diversity of cosmeceuticals was discovered in macrophyte algae, single-celled algae are on the same level or even surpass them in this regard. At the same time, a large-scale biotechnological production of microalgal biomass, enriched with the cosmeceutical compounds, is more technically feasible and economically viable than that of macrophyte biomass. The autotrophic cultivation of microalgae is generally simpler and often cheaper than that of heterotrophic microorganisms. Cultivation in bioreactors makes it possible to obtain more standardized raw biomass, quality of which is less dependent on seasonal factors. Microalgae biotechnology opens many possibilities to the “green” cosmeceutical production. However, a significant part of microalgae chemo- and biodiversity remains so far untapped. Consequently, bioprospecting and biochemical characterization of new algal species and strains, especially those isolated from habitats with harsh environmental conditions, is a major avenue for further research and development. Equally important is the development of approaches to cost-effective microalgae cultivation, as well as induction, extraction, and purification of cosmeceutical metabolites. World scientific community is rapidly accumulating extensive information on the chemistry and diverse effects of microalgae substances and metabolites; many substances of microalgal origin are extensively used in the cosmetic industry. However, the list of extracts and individual chemicals, isolated from them and thoroughly tested for safety and effectiveness, is not yet very large. Although excellent reviews of individual microalgal cosmeceutical groups exist, here we covered all the most important classes of such compounds of cosmeceutical relevance, linking the patterns of their composition and accumulation with the relevant aspects of microalgae biology.
Аннотация (alternative)
Важная особенность экстремофильных и стресс-толерантных микроводорослей — их универсальный метаболизм, позволяющий им синтезировать широкий спектр биомолекул. Данные соединения повышают устойчивость клеток микроводорослей к неблагоприятным факторам. В организме человека биологически активные вещества способны замедлять старение и оказывать противовоспалительное и фотопротекторное действие. Это неудивительно, если учесть, что многие повреждения, вызываемые стрессами в организме человека и в фотоавтотрофных клетках, опосредуются одними и теми же механизмами, такими как атаки свободных радикалов и перекисное окисление липидов. Фотосинтетический аппарат клеток микроводорослей всегда подвержен риску окислительного повреждения, поскольку в процессе его функционирования постоянно генерируются высокие окислительно-восстановительные потенциалы и реакционноспособные молекулы. Этим факторам риска противостоят эффективные системы элиминации активных форм кислорода, включающие, среди прочих компонентов, мощные низкомолекулярные антиоксиданты. Как следствие, фототрофные организмы являются богатым источником биологически активных веществ с большим потенциалом для сдерживания негативных последствий стрессов, действующих на клетки кожи человека изо дня в день. Во многих случаях эти соединения оказываются менее токсичными, менее аллергенными и в целом более «биосовместимыми», чем большинство их синтетических аналогов. Те же самые метаболиты водорослей признаны перспективными ингредиентами для инновационных косметических средств и космецевтических рецептур. Исследователи прилагают всё больше усилий для поиска новых природных биологически активных веществ из микроводорослей. Поддерживает эту тенденцию и растущий спрос на натуральное сырьё для пищевых продуктов, а также нутрицевтики, фармацевтики и косметологии, связанный с глобальным переходом на «зелёные» (возобновляемые) источники сырья. В водорослях-макрофитах было обнаружено поразительное разнообразие соединений с космецевтическими эффектами, но одноклеточные водоросли не уступают им и даже превосходят их в этом отношении. В то же время крупномасштабное биотехнологическое производство биомассы микроводорослей, обогащённой космецевтическими соединениями, проще технически и выгоднее, чем производство или сбор биомассы макрофитов. Культивирование автотрофных микроводорослей, как правило, проще и дешевле, чем культивирование гетеротрофных микроорганизмов. Выращивание в биореакторах позволяет получать более стандартизированную сырую биомассу, качество которой в меньшей степени зависит от сезонных факторов. Биотехнология открывает множество возможностей для производства возобновляемого космецевтического сырья, однако значительная часть биоразнообразия микроводорослей и добываемых из них компонентов остаётся неизученной. Следовательно, поиск и получение биохимической характеристики новых видов и штаммов водорослей, особенно выделенных из местообитаний с суровыми условиями окружающей среды, — это одно из наиболее актуальных направлений дальнейших исследований. Не менее важна разработка подходов к рентабельному культивированию микроводорослей, а также к индукции, экстракции и очистке космецевтически активных метаболитов. Мировое научное сообщество стремительно накапливает информацию о химии и разнообразном действии соединений и метаболитов из микроводорослей; многие экстрагируемые из них вещества уже нашли широкое применение в косметической промышленности. Между тем перечень экстрактов и отдельных химических веществ, выделенных из них и тщательно проверенных на безопасность и эффективность, пока не очень велик. В литературе имеются содержательные обзоры по отдельным классам космецевтических субстанций из микроводорослей, но работы, охватывающие все основные группы таких соединений, встречаются редко. В данной статье рассмотрены наиболее важные классы химических веществ из клеток микроводорослей, обладающих космецевтическим потенциалом. Освещены закономерности состава и накопления этих веществ в связи с аспектами биологии микроводорослей.
Ключевые слова
carotenoids, chlorophylls, lipids, mycosporine-like amino acids, antioxidants, UV screens
Библиографическое описание
Puchkova T. V., Khapchaeva S. A., Zotov V. S., Lukyanov A. A., Solovchenko A. E. Marine and freshwater microalgae as a sustainable source of cosmeceuticals // Морской биологический журнал. - 2021. - Т. 6, № 1. - С. 67-81.