Φύκη

Φύκη με πρωτογενείς χλωροπλάστες

Οι σύγχρονες μελέτες κατατάσσουν τα Χλωρόφυτα (συνομοταξία Chlorophyta) και τα Χαρόφυτα (συνομοταξία Charophyta) στο βασίλειο των πράσινων Φυτών (Plantae ή Viridiplantae) αφού φυλογενετικά είναι οι πιο στενοί συγγενείς των. Επίσης ορισμένοι ερευνητές κατατάσσουν τα Ροδόφυτα (συνομοταξία Rhodophyta) και τα Γλαυκόφυτα (Glaucophyta) στο ευρύτερο βασίλειο των Φυτών (Plantae sensu lato) διότι χαρακτηρίζονται από πρωτογενείς χλωροπλάστες που περιέχουν χλωροφύλλη α και β, αλλά αυτή η ταξινόμηση δεν είναι ευρέως αποδεκτή.

Φύκη με δευτερογενείς χλωροπλάστες

Σε παλαιότερες ταξινομήσεις αρκετά από τα φύκη με δευτερογενείς χλωροπλάστες συμπεριλαμβάνονταν στο βασίλειο των Πρωτίστων (Protista), το οποίο τα τελευταία χρόνια, λόγω της ανάπτυξης της φυλογενετικής ανάλυσης, υφίσταται μεγάλες ανακατατάξεις και αλλάγες, και πιθανό μελλοντικό κατατεμαχισμό σε περισσότερα μονοφυλετικά βασίλεια/κλάδους, όπως τα Κυψελιδωτά, τα Αυλακωτά και τα Ριζωτά.

Αναπαραγωγή μικροφυκών

Η διαδικασία αναπαραγωγής στα μικροφύκη γίνεται με αγενή και εγγενή τρόπο. Αρκετά μικροφύκη πολλαπλασιάζονται μόνο με τον αγενή τρόπο αναπαραγωγής, ενώ άλλα και με τον αγενή και με τον εγγενή τρόπο αναπαραγωγής.

Αγενής αναπαραγωγή

Πολλά μονοκύτταρα φύκη αυξάνουν τους πληθυσμούς τους, με απλή διαμήκη ή εγκάρσια κυτταρική διαίρεση.
Ωστόσο, φύκη με διαφορετικούς τύπους θαλλών αναπαράγονται αγενώς με μαστιγοφόρα κύτταρα, τα ζωοσπόρια ή με μη-μαστιγοφόρα κύτταρα τα απλανοσπόρια ή αυτοσπόρια. Πρόκειται για αγενή αναπαραγωγή καθώς δεν πραγματοποιείται σύντηξη γαμετών.
Ζωοσπόρια: Κατά την ζωοσποριογένεση,  το κυτόπλασμα ενός κυττάρου μετατρέπεται σε ένα ως πολλά μαστιγοφόρα κύτταρα. Όταν ωριμάσουν τα ζωοσπόρια απελευθερώνονται και διασπείρονται στο υδάτινο περιβάλλον, δίνοντας στη συνέχεια νέα μονοκύτταρα ή πολυκύτταρα άτομα.
Απλανοσπόρια: Τα απλανοσπόρια διαχέονται από το μητρικό κυτταρικό τοίχωμα όπου και μπορούν να αναπτυχθούν σε ώριμους θαλλούς. Παρόλο που έχουν την ικανότητα να παράγουν μαστίγια, τα μαστίγια τους δεν αναπτύσσονται.
Αυτοσπόρια: Τα αυτοσπόρια, δεν έχουν την ικανότητα παραγωγής μαστιγίων, ζουν εξαπλωμένα και αναπτύσσονται ,όπως τα ζωοσπόρια και τα απλανοσπόρια.

Εγγενής αναπαραγωγή

Ο εγγενής βιολογικός κύκλος είναι ένας παράγοντας που κάνει τα μονοκύτταρα φύκη να διαφέρουν. Οι κυριότεροι τύποι εγγενών βιολογικών κύκλων είναι τρεις.
Ζυγωτική μείωση έχουμε στα φύκη, στους βιολογικούς κύκλους των οποίων τα μόνα διπλοειδή κύτταρα είναι ζυγώτες.
Στη γαμετική μείωση παρατηρείται μείωση όταν παράγονται απλοειδείς γαμέτες από διπλοειδή βλαστητικά κύτταρα. Η σύντηξη των γαμετών προκαλεί τον σχηματισμό ενός διπλοειδή ζυγώτη όπου ύστερα από πολλές μιτωτικές διαιρέσεις προκύπτει ένας πολυκύτταρος διπλοειδής θαλλός.
Στη σποριακή μείωση, παράγονται απλοειδή σπόρια δηλαδή μεμονωμένα κύτταρα τα οποία μπορούν να αναπτυχθούν και να σχηματίσουν ένα πολυκύτταρο απλοειδή θαλλό γνωστό ως γαμετόφυτο. Με κατάλληλες περιβαλλοντικές συνθήκες κάποια από τα κύτταρα του γαμετόφυτου παράγουν απλοειδείς γαμέτες όπου και ενώνονται και σχηματίζεται ένας διπλοειδής ζυγώτης. Ο διπλοειδής ζυγώτης διαιρείται μιτωτικά και έτσι προκύπτει ένας πολυκύτταρος διπλοειδής θαλλός γνωστός ως σποριόφυτο.

Αναπαραγωγή κυανοβακτηρίων

Τα κυανοβακτήρια αναπαράγονται αγενώς, με απλή διχοτόμηση. Η διχοτόμηση μπορεί να είναι πλήρης, ατελής καθώς και σε ένα ή περισσότερα επίπεδα.

Ορμογόνια

Ορισμένα κυανοβακτήρια αναπαράγονται με ορμογόνια. Τα ορμογόνια αποτελούν νήματα κυττάρων, που αποσπώνται από τα τριχώματα έπειτα από θρυμματοποίηση ή με το σχηματισμό νεκριδικών κυττάρων ή ετεροκυτίων. Η παραγωγή και η απελευθέρωση ορμογονίων, εξυπηρετεί την αναπαραγωγή και τη διασπορά των κυανοβακτηρίων, ενώ φαίνεται να συνδέεται με τις περιβαλλοντικές συνθήκες ή με συγκεκριμένα στάδια μορφογενετικού κύκλου.

Ακινέτια

Τα ακινέτια αποτελούν κύτταρα που προκύπτουν από τη διαφοροποίηση βλαστητικών κυττάρων, έπειτα από συσσώρευση προϊόντων αφομοίωσης και ελάττωση των θυλακοειδών. Ο σχηματισμός ακινέτιων σηματοδοτείται από δυσμενείς περιβαλλοντικές συνθήκες ή άλλους παράγοντες (ανάλογα με το είδος), όπως π.χ. έλλειψη θρεπτικών όπως ο φώσφορος. Τα διαφοροποιημένα αυτά κύτταρα παραμένουν σε λανθάνουσα κατάσταση, μέχρι οι συνθήκες να γίνουν ευνοϊκότερες και τα ακινέτια να εκβλαστήσουν. Σημειώνεται ότι παρουσιάζουν αυξημένη συγκέντρωση γλυκογόνου και κυανοφυκίνης, γεγονός που συνδέεται με την ελάττωση των ρυθμών φωτοσύνθεσης και αναπνοής. Μορφολογικά, το μέγεθος τούς είναι μεγαλύτερο συγκριτικά με τα βλαστητικά κύτταρα, ενώ περιβάλλονται από ένα παχύ κυτταρικό τοίχωμα.

Οικολογία

Όλα αυτά τα είδη αποτελούν απλές φωτοσυνθετικές πηγές με μονοκύτταρα παραγωγικά συστήματα. Σε διαστάσεις κυμαίνονται από μονοκύτταρους οργανισμούς όπως η χλαμυδομονάδα C. reinhardtii μέχρι μή αγγειακά νηματοειδή ή θαλλοειδή φυτά. Έτσι τα φύκη απαντώνται είτε σε θάλασσες και λίμνες (σε αλμυρό ή γλυκό νερό), είτε στη ξηρά ως χερσαία όπου ζουν και αναπτύσσονται σε υγρό περιβάλλον, π.χ. τοίχους, δένδρα κ.λ.π.

Αντιοξειδωτικές και αντιδιαβητικές ιδιότητες μακροφυκών

Η αναστολή της παγκρεατικής αμυλάσης και η πρόληψη της παγκρεατικής οξειδωτικής βλάβης θεωρούνται πιθανές στρατηγικές για τη διαχείριση του διαβήτη τύπου 2.Μελέτες έδειξαν ότι διάφορα είδη μακροφυκών εμφάνισαν αντιοξειδωτικές  δράσεις και αναστολή της α-αμυλάσης. Έντονη αναστολή της α-αμυλάσης παρατηρήθηκε σε φαιοφύκη, όπως τα είδη Sirophysalis trinodis, Polycladia myrica και το χλωροφύκος Palisada perforata. Η ενζυμική αναστολή και οι αντιοξειδωτικές δράσεις των S. trinodis, P. myrica, P. perforata και S. angustifolium υποδηλώνουν ότι τα είδη αυτά αναπτύσσουν αντιδιαβητική και αντιοξειδωτική δράση.
Οι βιοχημικές διεργασίες στο σώμα μπορεί να παράγουν επιβλαβή ενδιάμεσα προϊόντα που ονομάζονται ενεργές μορφές οξυγόνου (ROS). Η υπερέκκριση των ROS μπορεί να οδηγήσει σε ανισορροπία στην παραγωγή του και στην ικανότητα του σώματος να αποτοξινώνει ή να εξουδετερώνει τις επιβλαβείς οξειδωτικές επιδράσεις αυτών των ελεύθερων ριζών . Αυτή η πάθηση είναι γνώστη ως οξειδωτικό στρες. Το οξειδωτικό στρες οδηγεί στην οξειδωτική βλάβη των βιομορίων (λιπίδια, πρωτεΐνες, DΝΑ) και μπορεί να εμπλέκεται στην εμφάνιση αρκετών χρόνιων παθήσεων όπως ο καρκίνος, ο σακχαρώδης διαβήτης, η φλεγμονή, οι καρδιαγγειακές παθήσεις και άλλες εκφυλιστικές παθήσεις ( Ebadi et al. 1996; Jenner and Olnaw 1996; Freidovich 1999; Tiwari2001; Yun-Zhong et al. 2002; Cornish and Garbary 2010).
Ο έλεγχος των μεταγευματικών επιπέδων γλυκόζης στο πλάσμα είναι καθοριστικής σημασίας για την αρχική θεραπεία του διαβήτη (Kwon et al. 2008; Lee et al. 2009). Η μη φυσιολογική αύξηση του επιπέδου γλυκόζης αίματος (υπεργλυκαιμία) στον διαβήτη τύπου 2 συμβαίνει λόγω της πέψης του αμύλου σε απλά σάκχαρα, όπως γλυκόζη και φρουκτόζη, μέσω των ενζύμων παγκρεατική α-αμυλάση και α-γλυκοσιδάση (Gray 1975, Kwon et al. 2008). Η αναστολή της λειτουργίας της παγκρεατικής α-αμυλάσης μετά την πρόσληψη τροφής που οδηγεί σε μειωμένη απορρόφηση υδατανθράκων θεωρείται ως στρατηγική για τη διαχείριση του διαβήτη τύπου 2 (Krentz and Baile 2005). Ωστόσο, οι τρέχοντες αναστολείς α-αμυλάσης και α-γλυκοσιδάσης, όπως η ακαρβόζη έχουν μειωμένη αποτελεσματικότητα και παρενέργειες, όπως αύξηση του βάρους, ναυτία και στομαχικές διαταραχές (Reuser and Wisselaar 1994; Campbell et al 1966). Αυτό οδήγησε στην αναζήτηση φυσικών πηγών αναστολέων α-αμυλάσης και α-γλυκοσιδάσης στη διαχείριση του διαβήτη τύπου 2.
Οι αντιοξειδωτικές ενώσεις συμβάλλουν  στην άμυνα του οργανσμού έναντι του οξειδωτικού στρες μέσω της απομάκρυνσης των ελεύθερων ριζών και μέσω της αναστολής του σχηματισμού ROS.(Gilgun-Sherki et al. 2001) Μέχρι στιγμής, τα συνθετικά αντιοξειδωτικά είναι εμπορικά διαθέσιμα. Ωστόσο, η χρήση τους είναι περιορισμένη λόγω πιθανών παρενεργειών.
Τα θαλάσσια μακροφύκη αποτελούν πλούσιες πηγές διαφόρων ενώσεων που διευκολύνουν την επιβίωσή τους σε εξαιρετικά μεταβαλλόμενα θαλάσσια περιβάλλοντα (Cardozo et al.2007). Τα φύκη είναι σε θέση να παράγουν ευρύ φάσμα δευτερογενών μεταβολιτών, όπως πολυφαινόλες, φλαβονοειδή, στεροειδή, φλοροταννίνες, καροτενοειδή, αλκάνια και κετόνες. Αυτές οι ενώσεις έχουν ευρεία φάσματα βιολογικών δραστικοτήτων, όπως αντιβακτηριακές, αντιπηκτικές, κυτταροτοξικές, αντιϊκές, αντιφλεγμονώδεις, αντιοξειδωτικές και αντιδιαβητικές ιδιότητες (Anggadiredja et al. 1997; Matsukawa et al. 1997; Santoso et al. 2004; Heo et al. 2005; Kim et al. 2005; Park et al. 2005; Athukorala et al. 2006; Connan et al. 2006; Zubia et al. 2007; Dang et al. 2008; Lim et al. 2002; Kamenarska et al. 2009; Lee et al. 2009; Cornish and Garbary 2010; Taskin et al. 2010). Η αναστολή της α-αμυλάσης φαίνεται να αυξάνεται όσο αυξάνεται η συγκέντρωση των εκχυλισμάτων των φυτών.(Kianna Pirian, Soheila Moein, Jelveh Sohrabipour, Reza Rabiei and Jaanika Blomster, 2017) Τα αντιοξειδωτικά οφέλη και οι ασθένειες που συνδέονται με το οξειδωτικό στρες έχουν γίνει αποδεκτές ευρέως. Εντούτοις, καθώς η χρήση συνθετικών αντιοξειδωτικών παρασκευασμάτων είναι περιορισμένη, το ενδιαφέρον για την εξεύρεση φυσικών πηγών για θεραπευτικές προσεγγίσεις έχει αυξηθεί (e.g.  Anggadiredja et al. 1997; Matsukawa et al. 1997; Hansawasdi et al. 2000; Faulkner 2002; Kwon et al. 2008; Amin and Nagy 2009; Dudonne et al. 2009; Cornish and Garbary 2010;  Blunt et al. 2012; Senthilkumar and Sudha 2012; Senthil et al. 2013). 
Έντονη αναστολή της α-αμυλάσης παρατηρήθηκε από το εκχύλισμα μεθανόλης στο φαιοφύκος Sirophysalis trinodis και αρκετα έντονη  αναστολή της α-αμυλάσης παρατηρήθηκε στο ροδοφύκος Palisada perforata. Μετά την ταυτοποίηση της αναστολής της α-αμυλάσης σε είδη μακροφυκών, εξετάζεται και η δυνατότητα εξαγωγής και χρήσης των ενώσεών της για θεραπευτικούς σκοπούς. Αρκετές μελέτες έχουν δείξει υψηλή αντιοξειδωτική δράση σε είδη του Sargassum spp. (Anggadiredja et al. 1997; Matsukawa et al. 1997; Lim et al. 2002; Santoso et al. 2004; Heo et al. 2005; Kim et al. 2005; Park et al. 2005; Connan et al. 2006; Zubia et al. 2007; Yan et al. 1998; Mori et al. 2003; Wei et al. 2003). Η γενικά υψηλή αντιοξειδωτική ικανότητα στα φαιοφύκη είναι πιθανό να συσχετίζεται με την υψηλή περιεκτικότητα σε αντιοξειδωτικές ενώσεις (Siriwardhana et al. 2003; Karawita et al. 2005; Kim et al. 2005; Connan et al. 2006). Μελέτες έδειξαν ότι  αυτές οι ιδιότητες των φυκών εξαρτώνται από το είδος του μακροφύκους, τις συγκεντρώσεις των εκχυλισμάτων τους καθώς και των διαλυτών τους και συνεπώς πρέπει να μελετηθούν περαιτέρω για πιθανή φαρμακευτική χρήση ή ως στρατηγική υποστήριξης για τη θεραπεία του διαβήτη τύπου 2.(Kianna Pirian, Soheila Moein, Jelveh Sohrabipour, Reza Rabiei and Jaanika Blomster, 2017)

Μικροφύκη και κυανοβακτήρια

Τα μικροφύκη και τα κυανοβακτήρια είναι μονοκύτταροι οργανισμοί, ευρέως διαδεδομένοι σε χερσαία και υδάτινα οικοσυστήματα. Οι πολύπλοκοι μηχανισμοί της φωτοσύνθεσης, η ποικιλομορφία των ειδών και η μεταβολική τους ευελιξία έχουν αυξήσει το ενδιαφέρον για την χρήση αυτών των οργανισμών στη βιοτεχνολογία. Η ευκολία καλλιέργειας τους, η γρήγορη ανάπτυξή τους και η φυσική τους ικανότητα να συσσωρεύουν λιπίδια σε μεγάλες ποσότητες έχουν οδηγήσει σε μια έντονη ερευνητική προσπάθεια για την χρήση τους στην παραγωγή βιοκαυσίμων. Ωστόσο, περίπου 116 είδη κυανοβακτηρίων έχουν αλληλουχηθεί, από τα οποία τα 36 ολοκληρωμένα, ενώ μόλις 30 γονιδιώματα μικροφυκών είναι διαθέσιμα. Για τα κυανοβακτήρια υπάρχει μια βάση δεδομένων με αποκλειστικές πληροφορίες για τα διαθέσιμα γονιδιώματα (https://web.archive.org/web/20180529233235/http://genome.microbedb.jp/cyanobase). Από την άλλη, στη βιβλιογραφία του μεταβολικού ανασχηματισμού υπάρχουν μόλις 5 και 9 είδη κυανοβακτηρίων και μικροφυκών αντίστοιχα, σε αντιπαράθεση με τα 2000 περίπου κυανοβακτήρια και 35000 μικροφύκη που έχουν περιγραφεί μέχρι στιγμής. Όσον αφορά τα χλωρόφυτα έχουν γίνει προσπάθειες αλληλούχισης για 31 γονιδιώματα με 5 από αυτα (4 είδη) να έχουν ολοκληρωμένη αλληλούχιση γονιδιώματος.

Βιοπληροφορική και γονιδιωματική στα μικροφύκη

Η Βιολογία συστημάτων (Systems Biology) είναι ένας αναδυόμενος κλάδος που μελετά βιολογικές διεργασίες μέσω ενδελεχών μοντέλων σχεδιασμένων σε Η/Υ. Μεταξύ των πολλών εργαλείων που διαθέτει η βιολογία συστημάτων, τον πιο σημαντικό ρόλο στην σύνδεση γενότυπου με φαινότυπο παίζουν οι ανακατασκευές δικτύων σε επίπεδο γονιδιώματος (genome scale network reconstructions, GENREs). Στην απλούστερη μορφή της, μια GENRE είναι μια λίστα στοιχειομετρικά ισορροπημένων μεταβολικών αντιδράσεων μαζί με περιγραφές σχέσεων μεταξύ γονιδίου – πρωτεϊνης. Επίσης, μπορεί να μετασχηματιστεί σε μαθηματικό μοντέλο (genome – scale model, GEM) που αντιπροσωπεύει τις μεταβολικές δυνατότητες ενός συγκεκριμένου οργανισμού και να χρησιμοποιηθεί για παράδειγμα στην πρόβλεψη του φαινότυπου μέσω του γενότυπου. Αυτή η δυνατότητα των GEMs τα κάνει πολύ χρήσιμα στην μεταβολική μηχανική καθώς μπορούν να προβλέψουν τον παγκόσμιο αντίκτυπο εισαγωγής γονιδίων και νοκ – αουτ γονιδίων στον μεταβολισμό, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η αναζήτηση ιδανικού σχεδιασμού στελέχους in silico. 
Αλγόριθμοι για σχεδιασμό στελεχών μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε 3 τύπους: de novο κατασκευή μονοπατιού, ρύθμιση ενζύμων και διαγραφή ενζύμων. Παράδειγμα του πρώτου τύπου είναι το OptStrain (Pharkya et al., 2004) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον σχεδιασμό μονοπατιών για ξένες, ως προς το στέλεχος, ουσίες, όπως επίσης για την αύξηση της παραγωγής των ήδη βιοσυντιθέμενων από τον οργανισμό ουσιών. Ο αλγόριθμος OptForce (Ranganathan et al., 2010) αναζητεί ομάδες ενζύμων που θα πρέπει να αυξηθεί, να μειωθεί ή να σταματήσει τελείως (νοκ – αουτ) η δραστικότητά τους για την παραγωγή του ελάχιστου ορίου του προϊόντος – στόχου. Ο OptKnock (Burgard et al., 2003) είναι ένα παράδειγμα του τρίτου τύπου αλγόριθμου, ο οποίος αναζητεί νοκ – άουτ ένζυμα για να τα συσχετίσει με την παραγωγή της ουσίας – στόχου σε σχέση με την αύξηση. Η συσχέτιση αυτή είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό σε μετασχηματισμένα στελέχη καθώς μετριάζει τα προβλήματα της φυσικής επιλογής και της γενετικής αστάθειας, ενώ μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια σε προσαρμοσμένη εξέλιξη στο εργαστήριο για την αύξηση της παραγωγής της ουσίας – στόχου.

Γονιδιωματική και βιοσύνθεση λιπιδίων

Τα είδη Chlorella spp. είναι μια ομάδα μονοκύτταρων χλωροφυκών του γλυκού νερού που έχει εξελιχθεί εδώ και ένα δισεκατομμύριο χρόνια και βρίσκεται ανάμεσα στα πιο διαδεδομένα καλλιεργούμενα μικροφύκη με ετήσια παραγωγή 4000 τόνων βιομάζας παγκοσμίως. 
Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό της Chlorella είναι η ικανότητα της να υποστηρίξει υψηλή παραγωγικότητα βιομάζας υπό αυτοτροφικές αλλα και ετεροτροφικές συνθήκες καλλιέργειας. Υπό φώτο – αυτοτροφικές συνθήκες τα περισσότερα μέλη αυτής της ομάδας παράγουν περίσσεια πρωτεϊνών και λιπιδίων, ωστόσο με την προϋπόθεση η καλλιέργεια να διαρκέσει 1 με 2 εβδομάδες, γεγονός που αποτελεί πρόβλημα καθώς η περίοδος αυτή είναι μεγάλη με αποτέλεσμα την μικρή παραγωγικότητα και ευαισθησία στις καιρικές συνθήκες. Από την άλλη, υπό συνθήκες ετεροτροφίας, φτάνουν σε πολύ μεγαλύτερα επίπεδα παραγωγικότητας με συσσώρευση σημαντικών επιπέδων υδατανθρακών και πολύ χαμηλότερα επίπεδα λιπιδίων και πρωτεϊνών. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός πως όταν τα κύτταρα μεταβούν από ετεροτροφικές σε φωτο – αυτοτροφικές συνθήκες για μικρό χρονικό διάστημα (μια με δυο μέρες ανάλογα τον καιρό) έκθεσης στον ήλιο (διαδικασία επαγωγής φωτός), προκαλεί διακεκριμένες αλλαγές στο ενδοκυτταρικό προφίλ, με μείωση των υδατανθρακών και αύξηση λιπιδίων και πρωτεϊνών από 70% έως 120%. Κατά συνέπεια, υπάρχουν αυξημένες ουσίες – στόχοι και υψηλή παραγωγικότητα. Αυτός ο ελεγχόμενος «διακόπτης» μπορεί να εκμεταλλευτεί σε βιομηχανίες τροφίμων και βιοκαυσίμων.
Μετά από αναλύσεις μεταγραφώματος βρέθηκε πως ο διακόπτης αυτός μπορεί να οδηγήσει σε παραγωγή αναγωγικών ισοδυνάμων ενέργειας (π.χ. σε μορφή NADPH) που βοηθούν σε βιοσυνθετικές αντιδράσεις όπως βιοσύνθεση λιπιδίων. Μπορεί, λοιπόν, η αύξηση των αναγωγικών ισοδυνάμων να συμβάλλει εν δυνάμει σε συσσώρευση λιπιδίων στον ενδοκυττάριο χώρο. Στο Arabidopsis, η κινάση 3 του NAD(H) είναι η κύρια πηγή κυτταρικού NADPH που χρησιμοποιείται σε αντιδράσεις στο αβιοτικό στρες. Το γονίδιο που ευθύνεται για την παραγωγή της κινάσης είναι το AtNADK που βρίσκεται σε 3 αντίγραφα στο γονιδίωμα του Arabidopsis. Στο γονιδίωμα του στελέχους Chlorella pyrenoidosa FACHB-9 βρέθηκε μόνο ένα αντίγραφο (g6804). Στην ανάλυση μεταγραφώματος φάνηκε πως το συγκεκριμένο γονίδιο ενισχύθηκε κατά 360% σε ετεροτροφικές συνθήκες και 41.6% στην διαδικασία επαγωγής φωτός, υποδηλώνοντας τον ενεργό ρόλο του στην παραγωγή λιπιδίων. Οι Fan J. et al. το 2015 εισήγαγαν ένα ακόμη γονίδιο AtNADK στο συγκεκριμένο στέλεχος για να επιβεβαιώσουν τα παραπάνω αποτελέσματα. Τα αρχικά τους αποτελέσματα δεν έδειξαν κάποια διαφορά στις καμπύλες αύξησης των διαγονιδιακών στελεχών σε σχέση με τον άγριο τύπο και υπο συνθήκες ετεροτροφίας και φωτο – αυτοτροφίας. Στην συνέχεια, χρησιμοποίησαν τον υποκινητή Hsp70 ο οποίος ευθύνεται για την παραγωγή πρωτεϊνών θερμικού σοκ και έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία στο Chlamydomonas reinhardtii. Δοκίμασαν ξανά το πείραμα αυτή την φορά και σε συνθήκες θερμικού σοκ και τα αποτελέσματα διαφοροποιήθηκαν. Και στις τρεις διαφορετικές συνθήκες τα διαγονιδιακά στελέχη παρουσίασαν αύξηση 39.3% με 79.9% στα επίπεδα NADPH και 45.3% με 110.4% στα επίπεδα λιπιδίων, συγκρινόμενα με τον άγριο τύπο. Επίσης, εξετάστηκε η σύσταση των λιπαρών οξέων των μετασχηματισμένων στελεχών και δεν βρέθηκαν σημαντικές διαφορές σε σχέση με τον άγριο τύπο. Ανάμεσα στις τρεις διαφορετικές συνθήκες καλλιέργειας, ο πιο αποτελεσματικός τρόπος ήταν η επαγωγή φωτός με δεύτερο το θερμικό σοκ και τελευταία την ετεροτροφία.

Πρωτεΐνες μικροφυκών  στη διατροφή

Η βιομάζα των μικροφυκών αποτελεί μια νέα πηγή πρωτεϊνών με σημαντική θρεπτική αξία. Παρόλο το υψηλό κόστος της μαζικής παραγωγής των μικροφυκών που κάποτε αποτελούσε τροχοπέδη, πλέον το 75 % της συνολικής βιομάζας που παράγεται ετησίως χρησιμοποιείται για την κατασκευή συμπληρωμάτων διατροφής που προορίζονται για κατανάλωση από τον άνθρωπο. Αυτά τα πρωτεϊνικά προϊόντα έχουν θεραπευτική, αντικαρκινική και αντιοξειδωτική δράση. H ποιότητα των πρωτεϊνών που παράγονται από τα μικροφύκη είναι γενικά ισοδύναμη με αυτή των συμβατικών πρωτεϊνών που προέρχονται από τα κοινά λαχανικά και σε κάποιες περιπτώσεις υψηλότερη. Εφόσον οι πρωτεΐνες συγκροτούνται από ένα σύνολο αμινοξέων, η διατροφική τους αξία εξαρτάται από την περιεκτικότητα, την αναλογία και τη διαθεσιμότητά τους σε αμινοξέα. Το πρότυπο των αμινοξέων των πρωτεϊνών που απομονώνονται από τα μικροφύκη είναι παρόμοιο στα διάφορα είδη. Για να είναι εφικτή η απομόνωση των επιθυμητών πρωτεϊνών οι επιστήμονες εφαρμόζουν μηχανικές και χημικές μεθόδους που αποσκοπούν στην καταστροφή του κυτταρικού τοιχώματος, την ολική λύση του κυττάρου και την απελευθέρωση του εσωτερικού κυτταρικού υλικού. Επιπλέον, μέσω υδρόλυσης γίνονται προσπάθειες για να βελτιωθεί η μυρωδιά ψαριού και το πράσινο χρώμα των πρωτεϊνών αυτών προκειμένου να αποτελούν ένα πιο ελκυστικό για την αγορά προϊόν. Κάποια είδη που παρουσιάζουν υψηλή περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες είναι τα εξής: Arthrospira (Spirulina) platensis, Chlorella vulgaris, Porphyridium cruentum, Nannochloropsis oculata και Haematococcus pluvialis. Πρέπει να τονιστεί ότι τα μικροφύκη αυτά έχουν περάσει από ειδικά τοξικολογικά τεστ και έχει πιστοποιηθεί από τον FDA (food and drug administration) ότι είναι ασφαλή για κατανάλωση, εφόσον δεν προκαλούν ανεπιθύμητες παρενέργειες.  

Πρωτεΐνες μικροφυκών στην ανθρώπινη υγεία

Τα μικροφύκη αποτελούν μια σημαντική πηγή πρωτεϊνών που μπορούν να συμβάλλουν στην καταπολέμηση ή αποτροπή διάφορων δυσλειτουργιών της ανθρώπινης υγείας. Πιο συγκεκριμένα έρευνες έχουν δείξει ότι τα μικροφύκη έχουν αντι-ιικές, αντινεοπλασματικές, αντιοξειδωτικές, αντιφλεγμονώδεις, αντιαλλεργικές, αντιδιαβητικές και αντιβακτηριακές ιδιότητες καθώς επίσης επιδρούν και στη μείωση λιπιδίων.

Πρωτεΐνες για καρδιαγγειακές διαταραχές

Κυανοβακτήρια κυρίως είδη των γενών Microcystis, Dolichospermum, Planktothrix και Nostoc παράγουν μια μεγάλη ποικιλία από αναστολείς πρωτεασών, μικρά μόρια δηλαδή, συνήθως πεπτίδια, που συνδέονται με ένζυμα, μιμούμενα τη δομή ενός υποστρώματος. Οι πρωτεάσες και οι αναστολείς πρωτεασών χρησιμοποιούνται για θεραπείες και για ανακάλυψη νέων φαρμάκων καθώς η απορρύθμιση της δραστικότητας των πρωτεασών στους ανθρώπους μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές διαταραχές της υγείας όπως καρδιαγγειακές παθήσεις και καρκίνο. Συγκεκριμένα για την καταπολέμηση και την προφύλαξη από θρομβοεμβολικές διαταραχές έχει απομονωθεί ο αναστολέας aeruginosin από το Microcystis.  Για τη θεραπεία του πνευμονικού εμφυσήματος έχει απομονωθεί από Microcystis, Planktothrix και Nostoc μια άλλη ομάδα αναστολέων κυανοβακτηριακής πρωτεάσης, οι μικροβιριδίνες, οι οποίες αποτελούν ισχυρούς αναστολείς ελαστάσης. Ακόμα, για την ανάπτυξη φαρμάκων για καρδιαγγειακά νοσήματα χρησιμοποιούνται κάποια κυανοβακτηριακά πεπτίδια τα οποία αναστέλλουν διάφορες εξωπεπτιδάσες, όπως τα microginins, τα οποία αναστέλλουν το ένζυμο μετατροπής της αγγειοτενσίνης.

Καταπολέμηση καρκίνου

Τα μικροφύκη επιπλέον συμβάλλουν στην καταπολέμηση του καρκίνου, μιας ασθένειας υπεύθυνης για εκατομμύρια θανάτους παγκοσμίως κάθε χρόνο. Από τα μικροφύκη λοιπόν εξάγονται κυτταροτοξικά μόρια που θα μπορούσαν να αποτελούν φάρμακα που έχουν ένα πιθανώς διαφορετικό μοντέλο δράσης και συμπληρώνουν τα ήδη υπάρχοντα με ένα καλύτερο τρόπο, ώστε ο συνδυασμός των φαρμάκων αυτών να είναι αποτελεσματικός για την αντίσταση στη χημειοθεραπεία. Συγκεκριμένα ουσίες που αναστέλλουν αποτελεσματικά το κακοήθες μελάνωμα, το καρκίνωμα μαστού και την ανάπτυξη κυττάρων αδενοκαρκινώματος πνεύμονα έχουν ταυτοποιηθεί από το γλαυκοφύκος Cyanophora paradoxa, τα εκχυλίσματα του οποίου ανέστειλαν σημαντικά την ανάπτυξη των τριών καρκινικών κυτταρικών σειρών.

Κατά της μετάστασης του καρκίνου

Επίσης έχει βρεθεί ότι ορισμένα μικροφύκη μπορεί να έχουν δυνατότητες κατά της μετάστασης του καρκίνου καθώς μελέτες έχουν δείξει ότι εκχυλίσματα από το χλωροφύκος Chlorella sorokiniana έχουν την ικανότητα να αναστέλλουν την κυτταρική διείσδυση διαμέσου μιας τεχνητής μεμβράνης (ECM) μέσω της αναστολής των ενζύμων ρύθμισης της μετάστασης ΜΜΡ2 και ΜΜΡ9.

Επαγωγή απόπτωσης

Ακόμα το εκχύλισμα διαιθυλαιθέρα  από το θαλάσσιο διάτομο Cocconeis scutellum έχει αποδειχθεί ότι επάγει επιλεκτικά την απόπτωση, μια διαδικασία προγραμματισμένου κυτταρικού θανάτου που εκτός των άλλων  εξαρτάται από πρωτεολυτικά ένζυμα που ονομάζονται κασπάσες, που διασπούν συγκεκριμένες ενδοκυτταρικές πρωτεΐνες για να βοηθήσουν στην καταστροφή των κυττάρων.

Πρωτεΐνες μικροφυκών για καλλιέργεια

Τα μικροφύκη έχουν αντιιικές, αντικαρκινικές, αντιοξειδωτικές, αντιφλεγμονώδεις, αντιαλλεργικές, αντιδιαβητικές και αντιβακτηριακές ιδιότητες (de Jesus Raposo et al., 2013; Ku et al., 2013). Για τον λόγο αυτό πολλά παρασκευάσματα μικροφυκών χρησιμοποιούνται σήμερα ως συμπληρώματα διατροφής.
Τα είδη μικροφυκών που χρησιμοποιούνται συνήθως και υποβάλλονται σε επεξεργασία για την χρήση τους ως τρόφιμα και καλλυντικά περιλαμβάνουν τα Arthrospira (παραδοσιακή ονομασία, Spirulina), Chlorella spp., Dunaliella spp. και Haematococcus spp. (Buono et al., 2014). Τα μικροφύκη είναι θρεπτικά και πλούσια σε απαραίτητα αμινοξέα, γ-λινολενικό οξύ (GLA), ίνες, βιταμίνες, ασβέστιο, φώσφορο, σίδηρο, χρωστικές όπως β-καροτένιο, ξανθοφύλλη, χλωροφύλλη και άλλες βιοδραστικές ενώσεις.
Τα μικροφύκη θεωρούνται επίσης σημαντική πηγή πρωτεΐνης. Για παράδειγμα, το είδος Arthrospira platensis περιέχει μεταξύ 50% και 70% πρωτεΐνη, το Chlorella vulgaris μεταξύ 38% και 58%, το Nannochloropsis oculate μεταξύ 22% και 37%,το  Porphyridium cruentum μεταξύ 8% και 56% και το Haematococcus pluvialis μεταξύ 45% και 50% πρωτεΐνη σε σχέση με τη συνολική ξηρή βιομάζα (Safi et al., 2014). Το προφίλ αμινοξέων των πρωτεϊνών που εξάγονται από αυτά τα μικροφύκη είναι γενικά παρόμοια μεταξύ τους και έχουν σταθερές αναλογίες μεταξύ απαραίτητων και μη απαραίτητων αμινοξέων (Chapman and Gellenbeck, 1989).
Περίπου το 75% της ετήσιας παραγωγής βιομάζας μικροφυκών προορίζεται για την παρασκευή δισκίων, καψουλών και σκόνης. Εκτός από την περιεκτικότητά τους σε πρωτεΐνες, τα μικροφύκη είναι επίσης πλούσια πηγή χρήσιμων υδατανθράκων όπως άμυλο, σάκχαρα, κυτταρίνη και άλλων πολυσακχαριτών. Αυτοί οι υδατάνθρακες έχουν εξαιρετική πεπτικότητα και υπάρχουν λίγοι μόνο περιορισμοί στη χρήση και εφαρμογή τους. Επιπλέον, τα μικροφύκη είναι πλούσια σε λιπίδια τα οποία μπορούν να αποτελούν ως και 85% της συνολικής ξηρής βιομάζας.
Πρωτεΐνες μικροφυκών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ζωοτροφή με τη μορφή πλήρους βιομάζας ή ως εκχύλισμα πρωτεϊνών. Η χρήση ολόκληρης της βιομάζας έχει πλεονεκτήματα όπως χαμηλότερο κόστος παραγωγής και πρόσθετα θρεπτικά συστατικά. Το βασικό πλεονέκτημα της χρήσης εκχυλισμένων πρωτεϊνών είναι η μείωση των πιθανών επιπλοκών που σχετίζονται με τη χαμηλή πεπτικότητα ορισμένων υδατανθράκων και λιπιδίων σε ορισμένα ζώα. Ορισμένα γενικά κριτήρια που λαμβάνονται υπόψιν όταν γίνεται χρήση της βιομάζας μικροφυκών ως τροφή είναι (1) θρεπτική διαθεσιμότητα, πρόσληψη και αφομοίωση, απουσία τοξινών (2) επίδραση στην αύξηση, στο συνολικό βάρος και επίδραση στην εμφάνιση των ζώων και (3) γευστικότητα, οσμή και αποδοχή του τελικού προϊόντος από το εκτρεφόμενο ζώο.

Χρήση σε υδατοκαλλιέργειες

Σε καλλιέργειες σαρκοφάγων ψαριών τα μικροφύκη χρησιμοποιούνται ως τροφή για τροχόζωα και κωπήποδα τα οποία στη συνέχεια γίνονται λεία των εκτρεφόμενων ψαριών (Seixas et al., 2008). Τα μικροφύκη μπορούν επίσης να αναμειχθούν με άλλες ζωοτροφές και προστίθενται στο νερό σε μορφή πάστας, σκόνης ή σφαιριδίων. Είδη που χρησιμοποιούνται συχνά σε τέτοιου είδους καλλιέργειες είναι το Tetraselmis, Nannochloropsis, Phaeodactylum, and Isochrysis (Chauton et al., 2015). Σημαντικά συστατικά των ζωοτροφών για υδρόβιους οργανισμούς είναι πρωτεΐνες και πολυακόρεστα λιπαρά οξέα (PUFA), και στην περίπτωση της εκτροφής σαλμονιδών, η ασταξανθίνη, η οποία υπάρχει σε μεγάλες ποσότητες στο Haematococcus (Choubert, 2010).

Πρωτεΐνες μικροφυκών σε ζωοτροφές για πουλερικά

Αν και τα μικροφύκη δεν αποτελούν μέρος της φυσικής διατροφής πουλερικών και άλλων εκτρεφόμενων ζώων, υπάρχουν ολοένα και περισσότερες ενδείξεις ότι η χρήση τους ως πηγή θρεπτικών ουσιών έχει τεράστια οφέλη για το ζώο (Becker, 1988, 2004; Ekmay et al., 2014; Fredriksson et al., 2006; Gatrell et al., 2014; Ginzberg et al., 2000).
Αυξημένη ανθεκτικότητα σε ασθένειες, χαμηλότερη περιεκτικότητα σε χοληστερόλη και βελτιωμένο χρώμα κρόκου του αυγού είναι μερικά από το προτερήματα που έδειξαν οι συγκρίσεις μεταξύ ζωοτροφών που παρασκευάζονται με τη χρήση μικροφυκών και των παραδοσιακών ζωοτροφών για πουλερικά (Belay et al., 1996; Fredriksson et al., 2006; Ginzberg et al., 2000; Holman and Malau-Aduli, 2013). Επίσης καροτενοειδή όπως η β-καροτένιο που βρίσκονται σε μεγάλες ποσότητες στο μικροφύκος Dunaliella sp., επηρεάζουν σημαντικά το χρώμα του κρόκου αυγού και προτιμάται από τους καταναλωτές.

Πρωτεΐνες μικροφυκών σε ζωοτροφές για μηρυκαστικά

Τα μηρυκαστικά όπως τα βοοειδή και τα πρόβατα έχουν ένα πεπτικό σύστημα το οποίο, θεωρητικά, είναι κατάλληλο για πέψη μικροφυκών αφού έχουν την ικανότητα καταστρέφουν τα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων ειδών μικροφυκών. Ωστόσο δεν υπάρχουν αρκετές πειραματικές μελέτες που να επιβεβαιώνουν αυτήν την θεωρία. Ωστόσο in vivo πειράματα με Spirulina sp. σε βοοειδή έδειξαν αυξημένη παραγωγή γάλακτος, μεγαλύτερη περιεκτικότητα πρωτεΐνης στο γάλα, παχύτερα ζώα και βελτιωμένη γονιμότητα (Holman and Malau-Aduli, 2013; Kulpys et al., 2009). Ακόμα in vivo πειράματα με Spirulina sp. στην τροφή για πρόβατα και αρνιά, έχουν δείξει αύξηση βάρους, αυξημένο τελικό βάρος, βελτιωμένη πρόσληψη τροφής, βελτιωμένη κατάσταση σώματος αλλά και άνοσο-διεγερτικά αποτελέσματα (EL-Sabagh et al., 2014; Holman et al., 2014).

Πρωτεΐνες μικροφυκών σε ζωοτροφές για χοίρους

Όπως στην περίπτωση των μηρυκαστικών, δεν υπάρχει μεγάλος όγκος πειραματικών μελετών που να δείχνουν ευεργετικά αποτελέσματα από τη χρήση μικροφυκών ως τροφή για τους χοίρους. Δοκιμές όμως με Spirulina sp. σε ποσοστό ως και 2% στην τροφή χοίρων παρουσίασαν βελτιωμένη ή αμετάβλητη ανάπτυξη και πρόσληψη τροφής (Grinstead et al., 2000).

Το μέλλον

Όσο περνάει ο χρόνος και περισσότερα δεδομένα αναδύονται για τα μικροφύκη ερχόμαστε όλο και πιο κοντά στην υλοποίηση βιοπαραγωγής ουσιών, υψηλής ακρίβειας (σε επίπεδο νανομέτρων) αλλά και χαμηλού κόστους. Επομένως, τα μικροφύκη έχουν πολλά να μας προσφέρουν εκτός από φθηνά βιοκαύσιμα. Ας τα θαυμάσουμε λοιπόν τώρα για τον μοναδικό μεταβολισμό τους και την ομορφιά τους, και να έχουμε κατά νου πως θα είναι έκει να μας σώσουν όταν εξορύξουμε το τελευταίο βαρέλι πετρελαίου.