КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-24-20039
НазваниеСтруктурное разнообразие и биологическая активность флоротаннинов бурых водорослей Арктического региона России
РуководительТараховская Елена Роллановна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс).
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-206 - Физиология и биохимия растений
Ключевые словафлоротаннины, фенольные соединения, бурые водоросли, масс-спектрометрия, антибактериальные препараты, цитотоксичность, метаболомика, биологические ресурсы
Код ГРНТИ34.31.19
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Флоротаннины являются специфическими метаболитами бурых водорослей. Это фенольные соединения, представляющие собой сложную смесь олиго- и полимеров на основе флороглюцинола (1,3,5-тригидроксибензола) с размером молекулы от 126 Да (мономер) до 650 кДа. В соответствии с особенностями химической структуры (тип связи между мономерами, число гидроксильных групп и др.) флоротаннины подразделяются на четыре крупных класса, в каждом из которых встречаются молекулы разной степени полимеризации. Клетки бурых водорослей содержат до 25% флоротаннинов в расчете на сухой вес, и состав этих соединений (соотношение молекул различных классов и степени полимеризации) видо- и тканеспецифичен.
Исследования последних десятилетий свидетельствуют о том, что данная группа метаболитов имеет значительный прикладной потенциал в сфере аквакультуры и медицины. Флоротаннины характеризуются широким спектром биологической активности (антибактериальная, противогрибковая, альгицидная, антиоксидантная активность и др.), при этом важно отметить, что различные биологические эффекты приурочены к конкретным препаратам флоротаннинов, полученным из определенных видов водорослей. В то же время исследования физиологических эффектов этих соединений в настоящее время ограничены узким списком объектов – источников флоротаннинов, и из всего многообразия бурых водорослей используются лишь несколько видов, относящихся к порядкам Fucales и Laminariales. Подавляющее большинство работ носит феноменологический характер и не ставит целью исследование механизмов действия флоротаннинов на клетки про- и эукариотических организмов. Научная новизна нашего проекта заключается в том, что он впервые нацелен на исследование механизмов действия разных классов флоротаннинов на клеточном уровне. Для реализации проекта будет применен интегральный подход, сочетающий современные методы физиологии растений, биохимии, микробиологии и молекулярной биологии. Будет получена детальная химическая характеристика флоротаннинов различного происхождения и проведена оценка их биологической активности по отношению к широкому спектру про- и эукариотических одноклеточных организмов. Впервые будут отдельно рассматриваться различные субклеточные фракции данных метаболитов. Особое внимание будет уделено фракции флоротаннинов клеточных стенок – данная группа флоротаннинов в настоящее время практически не изучена. Новизна проекта определяется также широтой охвата природных источников флоротаннинов – будет проведен скрининг 20 видов, представляющих 5 порядков бурых водорослей, растущих в Российской Арктике. В настоящее время большинство работ в данном направлении проводится на атлантических и дальневосточных видах водорослей, таким образом, оставлен без внимания ценный биологический ресурс Арктического региона России. Актуальность данной работы заключается в создании фундаментальной базы для освоения данного биологического ресурса, который имеет широкий спектр потенциального прикладного применения (аквакультура, медицина, пищевая промышленность и др.). Мы ожидаем, что результаты данного исследования существенно обогатят современные представления о механизмах биологической активности флоротаннинов, что не только внесет существенный вклад в фундаментальную науку, но также будет способствовать развитию соответствующих отраслей аквакультуры и практической медицины.
Ожидаемые результаты
1. Будут выделены и структурно охарактеризованы флоротаннины 20 видов бурых водорослей, обитающих в Арктическом регионе России и Северной Атлантике. Таким образом, будет получена информация о структурном разнообразии флоротаннинов представителей пяти порядков бурых водорослей (Fucales, Laminariales, Ectocarpales, Desmarestiales и Sphacelariales), многие из которых исследуются впервые. В частности, будет выявлена структура флоротаннинов, ассоциированных с клеточной стенкой. Эта информация является необходимым базовым ресурсом, который позволит адекватно интерпретировать данные по биологической активности флоротаннинов (как полученные в ходе выполнения проекта, так и уже накопленные к настоящему времени).
2. Будет проанализирован первичный и, частично, вторичный метаболом бурых водорослей (для многих видов – впервые), что позволит обсуждать данные о структурном разнообразии флоротаннинов в контексте особенностей биохимического состава и метаболического статуса разных видов водорослей-продуцентов.
3. Все полученные препараты флоротаннинов будут протестированы на наличие антибиотической и генотоксической активности в клетках бактерий, грибов и микроводорослей. По результатам серии тестов будут выявлены препараты и/или фракции флоротаннинов, наиболее эффективные для конкретных групп одноклеточных организмов и являющиеся перспективными для прикладного использования в области аквакультуры, медицины и пищевой промышленности.
4. Будет оценена токсичность всех полученных препаратов флоротаннинов по отношению к расселительным стадиям развития ряда макрофитных водорослей (гаметы и зиготы фукусовых, зооспоры ламинариевых). Полученная информация в перспективе может использоваться в разработке экологически безопасных способов борьбы с биообрастанием подводных конструкций.
5. Будут детально охарактеризованы изменения метаболизма клеток всех модельных объектов, обработанных эффективными препаратами флоротаннинов. Полученный массив данных позволит сделать выводы о связи между структурой флоротаннинов и их физиологическими эффектами и будет являться ценным ресурсом для расшифровки механизмов действия флоротаннинов на молекулярном уровне.
В целом, ожидаемые результаты данного научного исследования будут обладать высокой степенью оригинальности и будут способствовать получению новых фундаментальных знаний о структурном разнообразии и механизмах биологической активности флоротаннинов.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения первого этапа проекта были собраны 20 видов арктических бурых водорослей, относящихся к шести порядкам: Fucus vesiculosus, F. serratus, F. edentatus, F. distichus, Ascophyllum nodosum, Pelvetia canaliculata (порядок Fucales); Saccharina latissima, Laminaria digitata (порядок Laminariales); Chorda filum (порядок Chordales); Punctaria plantaginea, Stictyosiphon subarticulatus, Pylaiella littoralis, Chordaria flagelliformis, Dictyosiphon hippuroides, D. foeniculaceus, D. chordaria, Ectocarpus siliculosus, Elachista fucicola (порядок Ectocarpales); Desmarestia aculeata (порядок Desmarestiales) и Chaetopteris plumosa (порядок Sphacelariales). Из талломов всех водорослей были выделены две субклеточные фракции специфических фенольных соединений, флоротаннинов: внутриклеточные флоротаннины и флоротаннины, ассоциированные с клеточной стенкой (КС). Исследование общего содержания этих фенольных метаболитов в клетках водорослей показало, что наибольшие количества флоротаннинов накапливают представители пор. Fucales (8–16% сух. массы) и Ectocarpales (5–10% сух. массы). Самый низкий уровень содержания флоротаннинов отмечен у представителей пор. Laminariales (~1% сух. массы). Впервые было исследовано содержание КС-связанных флоротаннинов в талломах бурых водорослей разных таксономических групп. Показано, что в клеточных стенках большинства изученных видов содержится от 0.5 до 2% флоротаннинов в расчете на сухую массу. Представители разных порядков водорослей существенно различаются по распределению флоротаннинов между двумя субклеточными фракциями. Самое высокое относительное содержание КС-связанных флоротаннинов было отмечено у представителей пор. Ectocarpales и Ch. plumosa. Минимальное относительное содержание флоротаннинов в КС характерно для фукусовых водорослей.
Анализ молекулярных профилей флоротаннинов позволил выявить в исследованных экстрактах водорослей 33 класса этих метаболитов, различающихся по структуре базовых субъединиц (фуколы/флоретолы, фугалолы, эколы/кармалолы, и их производные: гидроксиэколы, флороглюцинаты, трибензодиоксины и др.). Также были обнаружены модифицированные (ацетилированные и гликозилированные) флоротаннины. Было показано, что клетки разных водорослей преимущественно накапливают молекулы разных классов: например, доминирующими фенолами фукусовых водорослей и некоторых эктокарпусовых водорослей (E. fucicola, E. siliculosus) являются флоротаннины с арильными и эфирными связями (фуколы/флоретолы), а для представителей пор. Laminariales характерно накопление дибензодиоксиновых флоротаннинов (эколы/кармалолы) и их гидроксилированных производных. Характерной чертой Ch. filum является преобладание флоротаннинов класса фугалолов. Для большинства исследованных видов впервые была описана структура КС-связанных флоротаннинов. Единственным классом флоротаннинов, обнаруживаемым в КС всех исследованных видов, оказались низкомолекулярные (степень полимеризации 4–11) гидроксилированные фенолы дибензодиоксинового ряда (гидроксиэколы/кармалолы).
Первая серия экспериментов по изучению антибактериальной, фунгицидной и альгицидной активности фенольных метаболитов бурых водорослей показала, что наибольшую токсичность по отношению к модельным одноклеточным организмам проявляют препараты флоротаннинов фукусовых водорослей, D. aculeata и E. siliculosus.
Публикации
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения второго этапа проекта была детально исследована антибактериальная, фунгицидная, альгицидная и генотоксическая активность флоротаннинов 20 видов арктических бурых водорослей, относящихся к шести порядкам: Fucus vesiculosus, F. serratus, F. edentatus, F. distichus, Ascophyllum nodosum, Pelvetia canaliculata (порядок Fucales); Saccharina latissima, Laminaria digitata (порядок Laminariales); Chorda filum (порядок Chordales); Punctaria plantaginea, Stictyosiphon subarticulatus, Pylaiella littoralis, Chordaria flagelliformis, Dictyosiphon hippuroides, D. foeniculaceus, D. chordaria, Ectocarpus siliculosus, Elachista fucicola (порядок Ectocarpales); Desmarestia aculeata (порядок Desmarestiales) и Chaetopteris plumosa (порядок Sphacelariales). Показано, что наибольшую токсичность по отношению к модельным про- и эукариотическим организмам (Escherichia coli, Saccharomyces cerevisiae, Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, Euglena gracilis, гаметы и зиготы бурых водорослей) проявляют препараты флоротаннинов фукусовых водорослей, а также D. aculeata, E. siliculosus и E. fucicola. Наиболее чувствительны к флоротаннинам клетки дрожжей, а наиболее устойчива зеленая микроводоросль Ch. vulgaris. Анализ метаболитных профилей модельных одноклеточных организмов, обработанных препаратами флоротаннинов, показал, что токсичность данных соединений опосредована нарушением функционирования систем клеточного дыхания, вероятно, вызванным повреждением клеточных мембран. Обе субклеточные фракции флоротаннинов (внутриклеточные фенолы и фенолы клеточной стенки) многих бурых водорослей проявляют слабую или умеренную мутагенную и промутагенную активность и способны индуцировать мутации сдвига рамки считывания и замены пар оснований в клетках бактерий. Наибольшая мутагенная активность обнаружена у флоротаннинов, выделенных из F. serratus и E. siliculosus. Среди препаратов, не проявивших мутагенных свойств, наибольший интерес представляют внутриклеточные флоротаннины D. aculeata, поскольку они имеют максимальную антибиотическую активность. Таким образом, именно этот препарат флоротаннинов является наиболее перспективным для прикладного использования в области медицины, пищевой промышленности и аквакультуры.
Исследования общего биохимического состава бурых водорослей показали, что представители разных порядков Phaeophyceae, характеризующиеся специфическими спектрами флоротаннинов, существенно различаются и по профилям низкомолекулярных метаболитов. Наибольшие различия выявлены между метаболомами F. serratus (пор. Fucales) и Ch. plumosa (пор. Sphacelariales), и они касаются молекул, ассоциированных с метаболизмом углеводов, органических кислот и фенольных соединений (в т.ч., мономеров и димеров флоротаннинов).
Публикации
1. Исламова Р.Т., Яньшин Н.А., Замяткина Е.Б., Гулк Е.И., Зуй Е.С., Биллиг С., Биркемайер К., Тараховская Е.Р. Metabolic adjustment of high intertidal alga Pelvetia canaliculata to the tidal cycle includes oscillations of soluble carbohydrates, phlorotannins, and citric acid content International Journal of Molecular Sciences, Vol. 24. 10626 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241310626
2. Лемешева В.С., Исламова Р.Т., Степченкова Е.И., Шенфельд А.А., Биркемайер К., Тараховская Е.Р. Antibacterial, antifungal and algicidal activity of phlorotannins, as principal biologically active components of ten species of brown algae Plants, Vol. 12, N 4, 821 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/plants12040821
3. Тараховская Е.Р., Исламова Р.Т., Замяткина Е.Б., Степченкова Е.И. Assessment of mutagenic activity of phlorotannin-enriched extracts of three brown algal species Экологическая генетика, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.17816/ecogen595899
4. - Лекарство под водой Научно-популярный журнал "Санкт-Петербургский университет", Орлова Е. Лекарство под водой // Санкт-Петербургский университет. 2023. №5 (3943) С. 30–34. https://journal.spbu.ru/ (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
не указано