Κυανοβακτήρια

Τα κυανοβακτήρια (Cyanobacteria) αποτελούν φωτοσυνθετικούς οργανισμούς που παλαιότερα κατά την κλασική ταξινόμηση φέρονταν με το όνομα «κυανοφύκη». Σήμερα θεωρούνται ιδιαίτερη συνομοταξία στην επικράτεια των Βακτηρίων. Τα κυανοβακτήρια αποτελούν ομάδα φωτοσυνθετικών προκαρυωτικών οργανισμών, που θεωρούνται ικανά σε οξυγονογενή ή οξυγονούχο φωτοσύνθεση.

Η αρχική τους ονομασία «κυανoφύκη» (blue-green algae στη διεθνή ορολογία) οφειλόταν κυρίως λόγω του χρώματος που παρουσίαζαν πολλά είδη εξ αυτών και που προερχόταν από την παρουσία της βιλιπρωτεΐνης που χαρακτηρίζει τις χρωστικές τόσο των οργανισμών αυτών όσο και των ερυθρών φυκών ή ροδοφύτων, και ειδικότερα της φυκοκυανίνης. Όλα τα μέλη της συνομοταξίας αυτής περιέχουν χλωροφύλλη α, εκτός από τα γένη Πρόχλωρον (Prochloron) και Προχλωροκόκκος (Prochlorococcus) που περιέχουν επίσης και χλωροφύλλη β.

Τα κυανοβακτήρια θεωρούνται ως πιθανοί πρώτοι οργανισμοί στη Γη οι οποίοι παρείχαν οξυγόνο με φωτοσύνθεση. Υπάρχουν αποδείξεις, από απολιθώματα του είδους αυτών, περί της ύπαρξής τους πριν από 3,5 δισεκατομμύρια χρόνια. Το δε κυτταρικό τοίχωμα αυτών είναι ανάλογο με εκείνο των «αρνητικών κατά Gram» βακτηρίων, οι δε φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης γίνονται μέσα στο σύστημα της θυλακοειδούς μεμβράνης του κυττάρου. Άλλες δομές του κυττάρου τους είναι διάφορα πολυφωσφορικά σωμάτια που παρατηρούνται σαν απόθεμα φωσφορικών αλάτων, καθώς και τα κενοτόπια που πληρούνται με αέριο και βοηθούν στη πλευστότητα αυτών. Μερικά δε εξ αυτών είναι κοκοειδή ενώ άλλα είναι νηματoειδή. Αναπαράγονται είτε με ένωση είτε με θραυσματοποίηση.

Τα κυανοβακτήρια βρίσκονται σχεδόν παντού σε ξηρά και θάλασσα και ειδικότερα σε χώρους με άπλετο φωτισμό. Μερικά είδη αυτών ζουν σε τελείως αφιλόξενα περιβάλλοντα μέρη, όπως ακόμη και σε θερμοπηγές όπου η θερμοκρασία υπερβαίνει τους +85 °C. Τα κυανοβακτήρια ευθύνονται σ΄ ένα μεγάλο μέρος της εξέλιξης του φωτοσυνθετικού οξυγόνου ιδιαίτερα στους ωκεανούς και συμβάλουν κατά πολύ στη δέσμευση του διοξειδίου του άνθρακα, κατά τις ανεξάρτητες του φωτός (σκοτεινές) αντιδράσεις καθώς και του αζώτου.

Πολλές φορές συγκεντρώνονται σε μεγάλους αριθμούς κατόπιν υπερβολικής ανάπτυξης σε επιφάνειες λιμνών και υδατοδεξαμενών όπου διακρίνονται τακτικότερα σαν πράσινοι επιπλέοντες κόκκοι. Αυτές όμως οι μεγάλες συγκεντρώσεις μπορεί και να απελευθερώσουν τοξίνες, γνωστές ως κυανοτοξίνες.

Ιστορικά στοιχεία

Όλοι οι ωκεανογράφοι, περιβαλλοντολόγοι, γεωλόγοι και οι γεωχημικοί συμφωνούν ότι τα κυανοβακτήρια έχουν μια μεγάλη εξελικτική ιστορία και οι περισσότεροι, αν όχι όλοι, καταλήγουν στο ότι η ιστορία αυτή επεκτείνεται τουλάχιστον 3500 εκατομμύρια χρόνια πριν.  Ωστόσο μια θεωρία σχετικά με την πιθανή ύπαρξη κυανοβακτηρίων στον Άρη προκαλεί ακόμη περισσότερες ερωτήσεις όσον αφορά στην προέλευση τους. Οι Schopf και Walter (1982) έχουν χαρακτηρίσει την πρωτεροζωική περίοδο ως «Εποχή των Κυανοβακτηρίων» , επειδή από εκείνη την περίοδο έχουν βρεθεί άφθονα κυανοβακτήρια σε απολιθωμένη μορφή. Επίσης, μερικές νηματοειδείς δομές που έχουν βρεθεί σε Πρωτοζωικά απολιθώματα έχουν εντυπωσιακή ομοιότητα με τα σύγχρονα νηματοειδή κυανοβακτήρια. Τέλος, ορισμένες δομές, που ήταν κατατεθημένες ευρέως τότε, φαίνεται ότι είναι αρκετά όμοιες με δομές κυανοβακτηρίων που παρουσιάζονται σε περιοχές σήμερα όπως το Shark Bay, στη δυτική Αυστραλία.

Εξάπλωση κυανοβακτηρίων

Τα κυανοβακτήρια εντοπίζονται σε ένα ευρύ φάσμα περιβαλλόντων.  Αυτό αποδίδεται στον ιδιαίτερο μεταβολισμό, που προσδίδει στα κυανοβακτήρια την ικανότητα να μεταβαίνουν γρήγορα από μια λειτουργία σε μια άλλη.  Πιο συγκεκριμένα εντοπίζονται σε λίμνες του γλυκού νερού , σε υπεράλμυρα νερά, σε θαλάσσια ύδατα συμπεριλαμβανομένων και των ωκεανών, σε ορυζώνες και ως βενθικοί οργανισμοί σε παράκτια ιζήματα.  Επιπλέον, συναντώνται σε εδάφη, ερήμους, σπηλιές και πολλά άλλα περιβάλλοντα.  Επίσης, τα κυανοβακτήρια είναι γνωστά ως συμβιωτικοί οργανισμοί, όπως για παράδειγμα στο θαλάσσιο διάτομο Rhizosolenia, στις ρίζες του γένους Cycas και στα φύλλα του γένους Azolla.

Συμβίωση κυανοβακτηρίων με άλλους οργανισμούς
Οι συμβιωτικές σχέσεις των κυανοβακτηρίων με άλλους οργανισμούς αποτελούν μια από τις αρχαιότερες αλληλεπιδράσεις και είναι ιδιαίτερα διαδεδομένες τόσο σε υδρόβια όσο και σε χερσαία περιβάλλοντα. Στους οργανισμούς με τους οποίους συμβιούν τα κυανοβακτήρια περιλαμβάνονται μύκητες, φυτά και ζώα. Στην πλειονότητα αυτών των σχέσεων, τα κυανοβακτήρια παρέχουν στον ξενιστή άζωτο μέσω της ικανότητας τους για αζωτοδέσμευση, επιτρέποντας του να ζει σε περιβάλλοντα φτωχά σε άζωτο. Παράλληλα, τα κυανοβακτήρια επιτρέπουν στους μη φωτοσυνθετικούς ξενιστές τους να εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια, καλύπτοντας μέρος των ενεργειακών τους αναγκών, μέσω της φωτοσυνθετικής τους δραστηριότητας. Ακόμη, προσφέρουν προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία και παράγουν μια ποικιλία βιοδραστικών ουσιών (αντιβιοτικά και αντιοξειδωτικά) συμμετέχοντας στη χημική άμυνα και προστασία του ξενιστή. Τα οφέλη που λαμβάνουν τα κυανοβακτήρια από τους ξενιστές τους περιλαμβάνουν ένα σταθερό υπόστρωμα, προστατευμένο από τις ακραίες περιβαλλοντικές συνθήκες και τη θήρευση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο ξενιστής μπορεί να παρέχει άνθρακα στα κυανοβακτήρια που φιλοξενεί, τα περισσότερα από τα οποία αν και είναι φωτοαυτότροφοι οργανισμοί, μπορούν να ζήσουν και σαν προαιρετικά ετερότροφοι, γεγονός που τους δίνει τη δυνατότητα να ζουν σε περιοχές του ξενιστή όπως οι ρίζες των φυτών όπου δεν φτάνει το φως. Σε αυτή την περίπτωση, ο φωτοσυνθετικός ξενιστής τους καλύπτει εξολοκλήρου τις απαιτήσεις τους σε άνθρακα. Πολλές από τις συμβιωτικές σχέσεις που σχηματίζουν τα κυανοβακτήρια, αποτελούν σημαντικές πηγές αζώτου για το οικοσύστημα.
Συμβιωτικά κυανοβακτήρια έχουν εντοπιστεί στις παρακάτω κατηγορίες οργανισμών: 

 Βρυόφυτα: Συμβιωτικά κυανοβακτήρια, κυρίως των γενών Nostoc, Stigonema και Calothrix,  εντοπίζονται είτε επιφυτικά είτε ενδοφυτικά στα βρυόφυτα και η συμβιωτική αυτή σχέση αποτελεί μία από τις σημαντικότερες πηγές αζώτου στα οικοσυστήματα όπου εμφανίζεται.
Πτεριδόφυτα (Azolla): Η συμβιωτική σχέση μεταξύ της υδρόβιας φτέρης Azolla  και κυανοβακτηρίων του γένους Anabaena αποτελεί ένα παράδειγμα υποχρεωτικής συμβίωσης και τη μοναδική περίπτωση κληρονομικής μεταβίβασης συμβιωτικών κυανοβακτηρίων από μία γενιά στην επόμενη στα φυτά.
 Γυμνόσπερμα (Cycads): Στις «κοραλλοειδείς» ρίζες των φυτών του γένους Cycas εντοπίζονται συμβιωτικά αζωτοδεσμευτικά κυανοβακτήρια του γένους Nostoc, σχηματίζοντας σκούρες πράσινες-μπλε ζώνες ανάμεσα στον εξωτερικό και τον εσωτερικό φλοιό. Η συμβίωση αυτή αποτελεί μια σημαντική πηγή αζώτου για το οικοσύστημα. 
 Αγγειόσπερμα (Gunnera): Το γένος Gunnera είναι το μοναδικό ανάμεσα στα αγγειόσπερμα που αναπτύσσει συμβιωτικές σχέσεις με κυανοβακτήρια του γένους Nostoc. Τα συμβιωτικά κυανοβακτήρια εντοπίζονται ενδοκυτταρικά, μέσα σε αδένες που εκκρίνουν βλέννα, στη βάση των μίσχων των φύλλων κατά μήκους του βλαστού του φυτού. Η συμβιωτική αυτή σχέση είναι υπεύθυνη για την πλήρη κάλυψη των απαιτήσεων του φυτού σε άζωτο. 
 Μύκητες: Μια ιδιαίτερη κατηγορία συμβιωτικής σχέσης κυανοβακτηρίων με άλλους οργανισμούς αποτελούν οι λειχήνες. Περίπου 1000 είδη λειχήνων (10%) σχηματίζονται από τη συμβίωση κυανοβακτηρίων, κυρίως του γένους Nostoc με ασκομύκητες. Εξαίρεση αποτελεί η συμβίωση του γένους Geosiphon (glomeromycete) με το γένος Nostoc. Στο 3% των λειχήνων τα κυανοβακτήρια αποτελούν το δευτερεύον φωτοσυνθετικό συμβιώτη ενώ ο κύριος φωτοσυνθετικός συμβιώτης είναι ένα χλωροφύκος. Όλες οι λειχήνες  που περιέχουν κυανοβακτήρια ονομάζονται κυανολειχήνες.
 Διάτομα: Πολλά θαλάσσια διάτομα έχει βρεθεί ότι συμβιούν με κυανοβακτήρια και κυρίως με το είδος Richelia intracellularis. Η συμβιωτική αυτή σχέση αποτελεί ιδιαίτερα σημαντική πηγή αζώτου στις περιοχές του ωκεανού όπου αφθονούν τα διάτομα, ειδικά στις περιπτώσεις ανθίσεων τους, όπου μπορεί να καλύπτουν περιοχή μεγαλύτερη από 100.000 km2.
 Δινομαστιγωτά: Εδώ και έναν αιώνα, έχει αναφερθεί η ύπαρξη «φαιοσωμάτων» (phaeosomes) σε μη φωτοσυνθετικά δινομαστιγωτά. Σήμερα, γνωρίζουμε ότι αυτά είναι συμβιωτικά κυανοβακτήρια και έχουν καταγραφεί σε εκπροσώπους έξι διαφορετικών γενών δινομαστιγωτών. 
 Σπόγγοι: Η συμβιωτική σχέση των σπόγγων με τα κυανοβακτήρια θεωρείται η αρχαιότερη μορφή συμβίωσης μεταξύ ζώων και μικροοργανισμών. Έχουν βρεθεί 100 είδη σπόγγων που φιλοξενούν συμβιωτικά κυανοβακτήρια κυρίως του γένους Synechococcus. Τα κυανοβακτήρια Candidatus Synechococcus spongiarum (κοκκοειδές) και Oscillatoria spongeliae (νηματοειδές) αποτελούν αποκλειστικούς συμβιώτες των σπόγγων. Φαίνεται ότι οι σπόγγοι που συμβιούν με κυανοβακτήρια αναπτύσσονται γρηγορότερα και εμφανίζουν ανταγωνιστικό πλεονέκτημα. Συμβίωση σπόγγων και κυανοβακτηρίων έχει χαρακτηριστεί ως η αμοιβαία αλληλεπίδραση, στην οποία οι σπόγγοι, ως ξενιστές, μπορούν να παρέχουν ένα καταφύγιο οικοτόπου στα κυανοβακτήρια, και τα κυανοβακτήρια, ως συμβιώτες, μπορούν να παρέχουν συμπληρωματική διατροφή (μέσω φωτοσύνθεσης και σταθεροποίησης αζώτου), χημική άμυνα (με την παραγωγή βιοδραστικών ουσιών) και προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία. Η λήψη συμβιωτικών κυανοβακτηρίων από τους ξενιστές μπορεί να επιτευχθεί κάθετα, από γονέα σε απόγονο (μέσω των προνυμφών), οριζόντια, από το  τριγύρω περιβάλλον, είτε και με τα δύο μονοπάτια.  Η εντατικοποίηση της έρευνας με τη χρήση των νέων τεχνολογιών αλληλούχισης έχει αυξήσει σημαντικά τις πληροφορίες σχετικά με τη συμβίωση σπόγγων και βακτηρίων. Αντίθετα, λόγω αυτών των τεχνολογιών, οι ταξινομικές πληροφορίες κάτω από το επίπεδο του Φύλου έχουν λάβει λιγότερη προσοχή. Σύμφωνα με αναλύσεις ερευνητικών εργασιών, ο αριθμός των καταγεγραμμένων ειδών σπόγγων που έχουν αναπτύξει συμβιωτικές σχέσεις με κυανοβακτήρια έχει αυξηθεί σχεδόν κατά 300% τα τελευταία δέκα χρόνια (εν μέρει λόγω της αύξησης της ερευνητικής προσπάθειας), αλλά η παγκόσμια κυανοβακτηριακή ποικιλομορφία καταγεγραμμένη από σπόγγους, παραμένει υποτιμημένη. Πρόσαφατα, εννέα είδη σπόγγων (Acanthella acuta, Axinella cannabina, A. damicornis, A. verrucosa, Haliclona fulva, Hexadella racovitzai, Oscarella sp., Spirastrella cunctatrix, and Stryphnus ponderosus) βρέθηκαν για πρώτη φορά στο Αιγαίο ως ξενιστές για κυανοβακτήρια . Τα είδη αυτά έχουν Ατλαντομεσογειακή κατανομή, εκτός από το A. Cannabina, το οποίο είναι ενδημικό της Μεσογείου, περισσότερο κοινό στην ανατολική λεκάνη της Μεσογείου, μιας περιοχής που έχει ελεγχθεί ελάχιστα για τις συμβιωτικές σχέσεις σπόγγων και κυανοβακτηρίων.    Όλες οι κλάσεις των σπόγγων είναι ικανές  να φιλοξενούν κυανοβακτήρια, ενώ μερικές τάξεις σπόγγων φαίνεται να φιλοξενούν κυανοβακτήρια πιο συχνά από άλλες (Chondrosiida,Chondrillida, Verongiida, Dictyoceratida και Scopanilida). Επιπρόσθετα, η ερευνητική προσπάθεια δεν είναι κατανεμημένη εξίσου στα παγκόσμια ύδατα, με τον τροπικό βορειοδυτικό Ατλαντικό και τη Μεσόγειο θάλασσα να έχουν λάβει τη μεγαλύτερη προσοχή. Η Ανατολική λεκάνη της Μεσογείου, η οποία παρέμεινε σχεδόν ανεξερεύνητη, έχει σχεδόν φτάσει τη Δυτική λεκάνη σε αριθμό καταγραφών συμβιωτικών σχέσεων μεταξύ σπόγγων και κυανοβακτηρίων. Συνολικά, συμβιωτικές σχέσεις μεταξύ σπόγγων και κυανοβακτηρίων φαίνεται να είναι τόσο κοινές στις εύκρατες περιοχές όσο και στις τροπικές. Επιπλέον, αποτελούν συχνό φαινόμενο στο Αιγαίο : εννέα νέες καταγραφές από είδη σπόγγων, τα οποία ήταν προηγουμένως άγνωστα για τη δυνατότητα ανάπτυξης συμβιωτικών σχέσεων, προστέθηκαν και εννέα απομονωμένα κυανοβακτήρια βρέθηκαν να σχηματίζουν νέους κλάδους. Πρόσφατα, ένα νέο γένος κυανοβακτηρίων, που συμβιεί με τους σπόγγους Petrosia ficiformis και Chondrilla nucula, περιγράφθηκε . Το γένος Leptothoe περιλαμβάνει τρία νέα είδη, τα είδη Le. sithoniana, Le. kymatousa και Le. spongobia . 
 Κοράλλια: Συμβιωτικά κυανοβακτήρια έχουν καταγραφεί στο είδος Montastreae cavernosa. Η  χρωστική φυκοερυθρίνη των κυανοβακτηρίων είναι υπεύθυνη για το χαρακτηριστικό πορτοκαλί φθορισμό του συγκεκριμένου είδους κοραλλιού στη διάρκεια της μέρας. Ακόμη, έχουν καταγραφεί ενδολιθικά κυανοβακτήρια στον ασβεστολιθικό σκελετό κοραλλιών της τάξης Σκληρακτίνια. 
 Ασκίδια: Όλα τα είδη που αναπτύσσουν συμβιωτικές σχέσεις είναι αποικιακές μορφές και φιλοξενούν κυανοβακτήρια κυρίως των γενών  Prochloron και Acaryochloris.
 Εχίουρα: Έχουν βρεθεί συμβιωτικά κυανοβακτήρια σε κύτταρα στον υποδερμικό συνδετικό ιστό στα είδη Ikedosoma gogoshimense και Bonellia fuliginosa. Το πρώτο είδος ζει σε βενθικά αμμώδη υποστρώματα ενώ το δεύτερο σε κοραλλιογενείς υφάλους.
Τέλος, συμβιωτικά κυανοβακτήρια έχουν καταγραφεί σε μακροφύκη, τρηματοφόρα, ακτινόζωα, κωδωνοειδή, ευγλείνες και ισόποδα.

 Ανθίσεις κυανοβακτηρίων 
Οι μαζικές συναθροίσεις των κυανοβακτηρίων είναι γνωστές με τον όρο «ανθίσεις του νερού» water blooms και χαρακτηρίζονται τόσο από πυκνό αριθμό κυττάρων διασκορπισμένων στο νερό όσο και από το σχηματισμό στρωμάτων ακαθαρσιών στην επιφάνεια.  Ορισμένα κυανοβακτήρια παράγουν κατά τη φυσιολογική τους ανάπτυξη χαρακτηριστικές οσμές.  Η παρουσία των οσμηρών ουσιών, ωστόσο, δε σχετίζεται απαραίτητα με τοξικότητα και μπορεί να λαμβάνονται ως ένα προειδοποιητικό σήμα για την ύπαρξη των κυανοβακτηρίων.  Ενώ οι συναθροίσεις των κυανοβακτηρίων προκαλούνται συνήθως από πλαγκτικά είδη σε ευτροφικά ύδατα, βενθικά στρώματα σε ολιγοτροφικά νερά είναι επίσης δυνατό να προκαλέσουν προβλήματα. Οι επιβλαβείς ανθήσεις των κυανοβακτηρίων ονομάζονται CyanoHABs και αποτελούν έναν από τους πιο εμφανείς μικροβιακούς κινδύνους για την ποιότητα των υδάτων των γλυκών και θαλάσσιων οικοσυστημάτων, την παροχή πόσιμου νερού, την άρδευση, την αλιεία και την αναψυχή. Ο κίνδυνος αυτός προκύπτει από την παραγωγή επιβλαβών δευτερογενών μεταβολιτών που ονομάζονται κυανοτοξίνες και περιλαμβάνουν τις μικροκυστίνες, σαξιτοξίνες κτλ . Εμβαθύνοντας, έρευνες δείχνουν ότι, οι αστικές, οι γεωργικές και οι βιομηχανικές δραστηριότητες που σχετίζονται με τον αυξημένο παγκόσμιο ανθρώπινο πληθυσμό, έχουν προωθήσει την ανακατανομή των θρεπτικών συστατικών. Το γεγονός αυτό οδηγεί σε φαινόμενα ευτροφισμού τα οποία διεγείρουν τα CyanoHABs.

Ενώ η σύνδεση μεταξύ του ευτροφισμού και της αύξησης της συχνότητας και της έντασης των CyanoHABs είναι καλά εδραιωμένη, έρευνες που διεξάγονται σχετικά με την οικοφυσιολογίας και της δυναμικής των κυανοβακτηρίων υποδηλώνει ότι, θα επηρεαστούν θετικά υπό τις συνθήκες που δημιουργούνται από την παγκόσμια κλιματική αλλαγή. Πιο συγκεκριμένα, η υπερθέρμανση του πλανήτη και οι ταυτόχρονες υδρολογικές μεταβολές, μεταβάλουν έντονα το φυσικο-χημικό περιβάλλον και τις βιολογικές διεργασίες των κυανοβακτηρίων, παρέχοντας στα κυανοβακτήρια ένα ξεχωριστό πλεονέκτημα έναντι του ευκαρυωτικού φυτοπλαγκτού, υπό συνθήκες εμπλουτισμένες με θρεπτικά συστατικά. Αυτό διότι, οι ρυθμοί ανάπτυξης των κυανοβακτηρίων φθάνουν στο βέλτιστο επίπεδο και παραμένουν υψηλοί ακόμη και όταν οι θερμοκρασίες υπερβαίνουν τους 25 °C (όπως σε στελέχη του γένους Microcystis) ενώ, οι ρυθμοί ανάπτυξης των ευκαρυωτικών taxa σταθεροποιούνται ή μειώνονται. Επίσης, η αύξηση της θερμοκρασίας σε μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη, έχει προκαλέσει την εξάπλωση τοξικών κυανοβακτηρίων, όπως το Cylindrospermopsis raciborskii σε περιοχές, όπου δεν υπήρχαν προηγουμένως καταγραφές. Ακόμα, η θέρμανση των επιφανειακών υδάτων σε συνδυασμό με την εποχική διακύμανση, επιτυγχάνει και εντείνει την κατακόρυφη στρωμάτωση των λιμναίων κυρίως υδάτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, δημιουργούνται οι κατάλληλες προϋποθέσεις για την άνθηση πολλών ειδών κυανοβακτηρίων που περιέχουν αεροτόπια, παρέχοντάς τους πλευστότητα και πρόσβαση στα επιφανειακά στρώματα υδάτων με τα υψηλά επίπεδα ακτινοβολίας για αποδοτικότερη φωτοσύνθεση. Αυτά τα κυανοβακτήρια, περιέχουν φωτοπροστατευτικές βοηθητικές χρωστικές ουσίες (π.χ. καροτενοειδή) και ενώσεις απορρόφησης υπεριώδους ακτινοβολίας που εξασφαλίζουν μακροπρόθεσμη επιβίωση υπό εξαιρετικά υψηλές συνθήκες ακτινοβολίας, καταστέλλοντας τα υπόλοιπα είδη μέσω ανταγωνισμού για το φως. Παρατηρείται, λοιπόν, ότι τα κυανοβακτήρια έχουν αποτελεσματικούς μηχανισμούς πρόσληψης CO2 και θρεπτικών συστατικών, προστατεύονται καλά από την ακτινοβολία του φωτός και της υπεριώδους ακτινοβολίας και είναι ιδιαίτερα προσαρμόσιμοι, επιτρέποντάς τους να επωφεληθούν από τις μεταβαλλόμενες περιβαλλοντικές συνθήκες σε υδάτινα περιβάλλοντα. Επιπροσθέτως, στα αποτελέσματα της κλιματικής αλλαγής συγκαταλέγονται και οι κλιματικές ταλαντώσεις οι οποίες επηρεάζουν τα πρότυπα, τις εντάσεις και τη διάρκεια των βροχοπτώσεων και των ξηρασιών έχοντας αντίκτυπο στην κατανομή των CyanoHABs. Για παράδειγμα, πιο ακραία γεγονότα κατακρημνίσεων μεταφέρουν μεγαλύτερο φορτίο θρεπτικών συστατικών από την χέρσο στα υδάτινα οικοσυστήματα-υποδοχείς. Αυτό το σενάριο πιθανόν θα συμβεί αν οι αυξημένες βροχοπτώσεις χειμώνα-άνοιξη και τα γεγονότα εξάτμισης ακολουθούνται από παρατεταμένες περιόδους ξηρασίας. Παρόλα αυτά η δύναται να αυξηθεί η εκροή των γλυκών υδάτων στα παρακείμενα ύδατα και βραχυπρόθεσμα θα κατασταλεί η άνθηση με έξαψη. Επιπλέον, ενδεχομένως η κλιματική αλλαγή μπορεί επίσης να επηρεάσει την αλατότητα στις εκβολές των ποταμών και των λιμών λόγω της αύξησης της στάθμης της θάλασσας (αύξηση της συχνότητας και της διάρκειας της ξηρασίας με συνακόλουθη την αύξηση της αποξήρανσης ή αύξηση των βροχοπτώσεων λόγω καταιγίδων). Ως αποτέλεσμα, τροποποιούνται τόσο η σύνθεση του φυτοπλαγκτού, όσο και οι πιθανές συγκεντρώσεις και η κατανομή τοξινών διότι, αν και πολλά ευκαρυωτικά είδη φυτοπλαγκτού δεν μπορούν να ανεχθούν μεταβολές στην αλατότητα, ορισμένα είδη κυανοβακτηρίων εμφανίζουν μεγάλη ανοχή σ’ αυτές. Είναι γνωστό ότι ένας βασικός παράγοντας που συντελεί στην κλιματική αλλαγή αποτελεί η αύξηση των επιπέδων του ατμοσφαιρικού διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που συνδέεται με το φαινόμενο του θερμοκηπίου. Γενικά, αν και οι λεπτομέρειες για το πώς συγκεκριμένα γένη κυανοβακτηρίων μπορεί να ανταποκριθούν στην αλλαγή του κλίματος δεν είναι πλήρως κατανοητές, στα είδη που σχηματίζουν επιπολασμό ανήκουν κυρίως στα γένη Microcystis, Anabaena και Aphanizomenon .

 Κυανοβακτήρια στους υπόγειους υδροφόρους ορίζοντες 
Η ενδεχόμενη παρουσία κυανοβακτηρίων σε υπόγειους υδροφόρους ορίζοντες, μπορεί να αποτελέσει σημαντικό πρόβλημα, τόσο για τη δημόσια υγεία, όσο και για το περιβάλλον. Μέσω των υπογείων υδάτινων όγκων, τα κυανοβακτήρια μπορούν να διοχετευθούν τόσο στο πόσιμο νερό όσο και στα θαλάσσια οικοσυστήματα. Ο κίνδυνος προέρχεται από συγκεκριμένα είδη δυνητικά τοξικών κυανοβακτηρίων, τα οποία παράγουν κυανοτοξίνες, δηλαδή δευτερογενείς μεταβολίτες που έχουν επιβλαβείς επιδράσεις, όταν βρίσκονται είτε σε κλειστές δεξαμενές νερού, είτε σε ρέοντα ύδατα.

Οι επιβλαβείς πληθυσμιακές εκρήξεις βακτηρίων έχουν αυξηθεί τα τελευταία χρόνια . Στην Ελλάδα, το θερμό Μεσογειακό κλίμα, ευνοεί την ανάπτυξη κυανοβακτηρίων, ιδίως τους θερμούς μήνες του χρόνου. Η αύξηση της θερμοκρασίας του πλανήτη συντελεί στη δημιουργία ιδανικών συνθηκών για απότομες πληθυσμιακές αυξήσεις δυνητικά τοξικών κυανοβακτηρίων, καθώς και την επικράτηση των τοξικών έναντι των μη τοξικών στελεχών.

Το εμφιαλωμένο νερό μπορεί να προέρχεται από φυσικούς υδροφόρους ορίζοντες, πηγές, λιώσιμο παγετώνων καθώς και δημόσιες προμήθειες νερού. Σε κάθε περίπτωση υπάρχει ο κίνδυνος μόλυνσης με μικροκυστίνες και απαιτείται συνεχής παρακολούθηση των υδάτων για τον εντοπισμό τους. Για να χαρακτηριστεί το εμφιαλωμένο νερό ως φυσικό μεταλλικό, η μόνη επεξεργασία που επιτρέπεται να υποστεί είναι το φιλτράρισμα, το οποίο, αν και συγκρατεί το μεγαλύτερο ποσοστό των μικροφυκών, μπορεί να επιτρέπει σε πιθανές τοξίνες που έχουν παραχθεί από αυτά, να περάσουν στο τελικό προϊόν. Στην Ελλάδα δεν υπάρχει νομοθεσία για την παρακολούθηση των υπόγειων υδάτων. Ωστόσο, μια έρευνα που πραγματοποιήθηκε στην Ελλάδα και περιλάμβανε τον δειγματικό έλεγχο τόσο εμφιαλωμένου νερού όσο και υπογείων υδάτων για κυανοβακτήρια, εντόπισε μια αποικία σε ένα εκ των δειγμάτων εμφιαλωμένου νερού. Η πηγή της μόλυνσης ωστόσο δεν εντοπίστηκε, επομένως, το ενδεχόμενο επιμόλυνσης μέσω του αέρα, κατά τη διαδικασία της εμφιάλωσης, δεν μπορεί να αποκλειστεί.  

Το εύρημα αυτό, αν και δεν είναι αρκετό για την απόδειξη άμεσου κινδύνου, αλλά εγείρει ερωτήματα για το αν θα πρέπει να νομοθετηθεί πρόγραμμα ελέγχου των υπόγειων υδάτων.

 Διαβίωση κυανοβακτηρίων στο σκοτάδι 
Η διαβίωση των κυανοβακτηρίων στη βαθιά υπόγεια επιφάνεια, περιβάλλον απουσίας φωτός, λαμβάνει αυξανόμενο ενδιαφέρον παρά τους περιορισμούς που φέρει ως προς την έρευνα του, κυρίως λόγω του υψηλού κόστους και της τεχνικής δυσκολίας ανάκτησης ακέραιων δειγμάτων, καθώς και η ετερογένεια και η έκταση αυτών των οικοσυστημάτωνWilkins, Michael; Daly, Rebecca; Mouser, Paula, Wrighton, Kelly και άλλοι. (2014). «Trends and future challenges in sampling the deep terrestrial biosphere.» Front Microbiol 5:481. doi: https://doi.org/10.3389/fmicb.2014.00481 ISSN 1664-302X.. Η παρουσία των κυανοβακτηρίων σε βαθιά υπόγεια περιβάλλοντα έγινε πρόσφατα γνωστή, με λίγες ωστόσο έρευνες να εστιάζουν στον τρόπο επιβίωσης και παραγωγής ενέργειας ή στην προέλευση αυτών των μικροοργανισμών.

Σύμφωνα με τους Hubalek V. et al.Hubalek, Valerie; Wu, Xiaofen; Eiler, Alexander; Buck, Moritz; Heim, Christine; Dopson, Mark; Bertilsson, Stefan; Ionescu, Danny. (2016). «Connectivity to the surface determines diversity patterns in subsurface aquifers of the Fennoscandian shield.» ISME J 10:2447–2458 https://doi.org/10.1038/ismej.2016.36, μια πιθανή προέλευση των κυανοβακτηρίων στα βαθιά υπόγεια περιβάλλοντα είναι μια κυανοβακτηριακή άνθιση πριν από χιλιάδες χρόνια που παγιδεύτηκε σε έναν υπόγειο υδροφόρο ορίζοντα. Από την άλλη πλευρά, μελέτη των Puente-Sánchez F. et al.Puente-Sánchez, Fernando; Arce-Rodríguez, Alejandro; Oggerin, Monike και άλλοι. (2018-10). «Viable cyanobacteria in the deep continental subsurface.» PNAS 115 (42):10702-10707. doi:https://doi.org/10.1073/pnas.1808176115 αποδεικνύει την ύπαρξη σύγχρονων κυανοβακτηρίων, τα οποία έχουν την ικανότητα να αποικίζουν τα σκοτεινά αυτά οικοσυστήματα. Είδη κυανοβακτηρίων που ανιχνεύτηκαν στα πλαίσια των μελετών ανήκουν στην τάξη Oscillatoriales, και ιδιαίτερα στο γένος Microcoleus, καθώς και στα γένη Calothrix και Chroococcidiopsis.

Στην απουσία φωτός απενεργοποιείται η φωτοσυνθετική συσκευή των κυανοβακτηρίων. Οι μικροοργανισμοί αποκτούν την ενέργεια τους μέσω της σύνδεσης της οξείδωσης υδρογόνου με τη μείωση των διαφόρων αποδεκτών ηλεκτρονίων.

Ταξινόμηση

Έχουν γνωστοποιηθεί περίπου 2000 είδη κυανοβακτηρίων τα οποία μπορούν να χωριστούν σε 150 γένη.  Επειδή πολλά κυανοβακτήρια στερούνται ευδιάκριτων μορφολογικών χαρακτηριστικών, η ταξινόμηση τους είναι ιδιαίτερα δύσκολη και διαρκώς αναδιατάσσεται.  Οι σύγχρονες οικολογικές μελέτες, η ηλεκτρονική μικροσκοπία, καθώς και οι μοριακές τεχνικές έχουν επηρεάσει τη γνώση σχετικά με την ποικιλομορφία των κυανοβακτηρίων. Στο εγχειρίδιο Bergey’s Manual of systematic Bacteriology η ταξινόμηση των κυανοβακτηρίων γίνεται σε πέντε υποκατηγορίες, οι οποίες αντιστοιχούν στην ταξινομική ομάδα Τάξη και είναι οι ακόλουθες : α)Τάξη Chroococcales , στην οποία συμπεριλαμβάνονται μονοκύτταρα κυανοβακτήρια που αναπαράγονται με απλή διχοτόμηση, β)Τάξη Pleurocapsales , στην οποία εμπεριέχονται μονοκύτταρα κυανοβακτήρια που αναπαράγονται με πολλαπλή διχοτόμηση, γ)Τάξη Oscillatoriales , δ) Τάξη Nostocales και ε) Τάξη Stigonematales.  Οι τρεις τελευταίες Τάξεις περιέχουν τα νηματοειδή κυανοβακτήρια.

Βιοτεχνολογία και εφαρμογές

Τα τελευταία χρόνια τα κυανοβακτήρια θεωρούνται σημαντικά ως πλούσια πηγή  βιοδραστικών συστατικών.  Αυτά τα συστατικά περιλαμβάνουν αντιβακτηριακούς ,αντιμυκητιασικούς , αντι-ιικούς , αντικαρκινικούς και ανοσοκατασταλτικούς παράγοντες.  Έχει βρεθεί ότι μερικά κυανοβακτήρια συσσωρεύουν ενδοκυτταρικά PHA’s (polyhydroxyalkanoates) , που αποτελούν πολυεστέρες με συγκρίσιμες ιδιότητες σε αυτές του πολυαιθυλενίου και του πολυπροπυλενίου.  Αυτά τα βιοδιασπώμενα πλαστικά θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν σε ορισμένα πεδία τα θερμοπλαστικά που είναι παράγωγα του πετρελαίου. Πρόσφατη έρευνα κατέδειξε ότι τα κυανοβακτήρια είναι πιθανό να  χρησιμοποιηθούν  για τον καθαρισμό ιζημάτων και λυμάτων που έχουν μολυνθεί με πετρέλαιο.  Επιπλέον , παρουσιάζουν κι άλλες βιοτεχνολογικές εφαρμογές που αφορούν σε πιθανές χρήσεις σε υδατοκαλλιέργειες , τρόφιμα, καύσιμα, λιπάσματα, χρωστικές ουσίες και στην παραγωγή δευτερογενών μεταβολιτών συμπεριλαμβανομένων τοξινών, βιταμινών, ενζύμων και φαρμακευτικών παρασκευασμάτων.

 Συνθετική Βιολογία για την παραγωγή βιοπροϊόντων 
Τα κυανοβακτήρια έχουν την ικανότητα παραγωγής βιομορίων που διεγείρουν το εμπορικό και επιστημονικό ενδιαφέρον του ανθρώπου. Η ικανότητα αυτή οφείλεται κυρίως στην δυνατότητα που έχουν να μετατρέπουν ανόργανα στοιχεία, όπως για παράδειγμα διοξείδιο του άνθρακα (CO2), νιτρικά και φωσφορικά ιόντα ή ιχνοστοιχεία σε βιομάζα και οργανικούς μεταβολίτες. Έχει αναφερθεί ότι στο δυναμικό παραγωγής τους συμπεριλαμβάνονται περίπου 1100 μεταβολίτες του δευτερογενούς μεταβολισμού όπως τερπένια, καροτενοειδή, αλκαλοειδή, λιπίδια με αντικαρκινικές, αντιμικροβιακές, αντιικές ιδιότητες κ.α. Εκτός από την καλλιέργεια φυσικών στελεχών και έπειτα την συγκομιδή της βιομάζας για περαιτέρω αξιοποίηση, καλλιεργούνται ήδη και γενετικά τροποποιημένα στελέχη για μαζική παραγωγή βιοκαυσίμων, τερπερνοειδών, λιπαρών οξέων και σακχάρων. Πιο συγκεκριμένα, τα στελέχη Synechocystis sp. PCC 6803, Synechococcus sp. PCC 7002 και Synechococcus elongatus PCC 7942 αποτελούν αντικείμενα μελέτης αρκετών πειραμάτων γενετικής μηχανικής με σκοπό μαζικότερη και ποιοτικότερη παραγωγή βιοπροϊόντων. Επιπλέον, χρησιμοποιούνται ευρέως ως «οργανισμοί-μοντέλα» για τη διερεύνηση της φωτοσύνθεσης, της αζωτοδέσμευσης και άλλων μεταβολικών μονοπατιών με πιθανή βιομηχανική χρηστικότητα.

 Εργαλεία συνθετικής βιολογίας στα κυανοβακτήρια 
Η βελτίωση κάθε σταδίου της βιομηχανικής παραγωγής επιτυγχάνεται χάρη στην πληθώρα γενετικών εργαλείων που προσφέρει ο κλάδος της συνθετικής βιολογίας. Ο κλάδος αυτός συνδέει την γενετική μηχανική με τον σχεδιασμό πρωτεϊνικών δομών μέσω υπολογιστικών προγραμμάτων μοντελοποίησης. Το γεγονός αυτό επιτυγχάνεται με τον σχεδιασμό βιολογικών τμημάτων (π.χ. υποκινητές, τερματιστές κ.λπ.) που επιτελούν το κάθε ένα μια καθορισμένη λειτουργία, και που αν συγκροτηθούν μπορούν να σχηματίσουν ένα εργαλείο με καθορισμένη δράση. Το συνθετικό τμήμα εισάγεται στο γονιδίωμα με φορείς που επιτρέπουν την ενσωμάτωση του μέσω ομόλογου ανασυνδυασμού. Με αυτό τον τρόπο κατασκευάζονται εργαλειοθήκες με σκοπό τον έλεγχο της γονιδιακής έκφρασης. Σχετικά με την πρόοδο της συνθετικής βιολογίας στα κυανοβακτήρια, οι Markley et al. (2015) αναφέρουν την κατασκευή δύο νέων υποκινητών βασιζόμενη στον ιδιοστατικό υποκινητή cpcB που υπάρχει στο Synechocystis sp. PCC 6803 . Παρόλα αυτά, η δημιουργία γενετικών εργαλείων που να εφαρμόζονται σε γονιδιώματα κυανοβακτηρίων αποτελεί πρόκληση λόγω της μεγάλης ενδοειδικής ποικιλότητας που εμφανίζουν. Ακόμη, σημαντικά είναι τα αποτελέσματα πειραματικών προσπαθειών που αφορούν το μεταβολισμό του άνθρακα και καταδεικνύουν ότι η υπερέκφραση των γονιδίων που κωδικοποιούν ένζυμα που εμπλέκονται στον κύκλο, οδηγούν σε αυξημένα επίπεδα φωτοσυνθετικής δραστηριότητας (συνεπώς και παραγωγής βιομάζας) στα υπό μελέτη κυανοβακτήρια. Με την ίδια λογική πραγματοποιήθηκαν προσπάθειες υπερέκφρασης του ενζύμου RuBisCO (ριβουλόζη-1,5-διφωσφορική καρβοξυλάση/οξυγενάση) που διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στο μεταβολισμό των κυανοβακτηρίων με στόχο την αύξηση των επιπέδων δέσμευσης CO2 και συνεπώς την αύξηση της αποδοτικότητας. Παρόλα αυτά, η μέχρι στιγμής έρευνα υποδεικνύει τη διεξαγωγή επιπλέον μελετών που αφορούν πρωτίστως την κατανόηση της έκφρασης των γονιδίων στο οπερόνιο rbc και τον τρόπο συναρμολόγησης της ενζυματικής συσκευής, εξαιτίας της πολύπλοκης γονιδιακής ρύθμισης στην οποία υπόκειται.

 Προϊόντα συνθετικής βιολογίας κυανοβακτηρίων 
Τα προϊόντα που προκύπτουν από μεθόδους συνθετικής βιολογίας διακρίνονται σε υψηλής, μέτριας και χαμηλής αξίας. Λόγω της σχετικής ευκολίας των κυανοβακτηρίων να τροποποιούνται σε γενετικό επίπεδο, θεωρούνται η βασική πηγή για την παραγωγή βιοκαυσίμων 4ης γενιάς. Ακόμη, υπό υλοποίηση σε εργαστηριακό περιβάλλον (Proterro, J. Craig Venter Institute κ.ά.) βρίσκεται η δημιουργία γενετικά τροποποιημένων κυανοβακτηρίων με ενισχυμένο μεταβολισμό για απευθείας παραγωγή και απελευθέρωση υδρογόνου, αλκοολών και αναλόγων πετρελαίου με στόχο την αποφυγή κοστοβόρων διαδικασιών που περιλαμβάνει η συγκομιδή της βιομάζας και η επεξεργασία της. Αύξηση στην παραγωγή αιθανόλης σε τίτλους έως και 5.5 g/L χρησιμοποιώντας μεθόδους συνθετικής βιολογίας παρατηρήθηκε από τους Gao et al. (2012) και μέσω του σχεδίου DEMA (Direct Ethanol from Microalgae) δρομολογούνται περαιτέρω μελέτες για μείωση του κόστους παραγωγής ενώ διερευνάται το ενδεχόμενο παραγωγής και άλλων μεγαλύτερης αξίας αλκοολών από στελέχη Synechococcus (1-βουτανόλη, ισοπροπανόλη, βουτανοδιόλη). Επιπλέον, επιτυχημένες πειραματικές προσπάθειες έχουν διεξαχθεί σε κύτταρα του στελέχους Synechocystis sp. PCC 6803 με αποτέλεσμα την μεγιστοποίηση παραγωγής ελεύθερων λιπαρών οξέων ενώ με τη σύνθεση και ενσωμάτωση ενός συστήματος κυτταρικής λύσης από τους Liu & Curtis (2009) κατέστη δυνατή η απελευθέρωση συσσωρευμένων λιπιδίων εντός του κύτταρου. Τέλος, σχετικά με το ενδεχόμενο αύξησης του ποσού υδρογόνου που μπορεί να παραχθεί από νηματοειδή κυανοβακτήρια με ετεροκύτια, η προσέγγιση που προτείνει η συνθετική βιολογία περιλαμβάνει την ανάπτυξη συστημάτων που εμπεριέχουν την εισαγωγή στα κυανοβακτήρια αλληλουχιών υδρογενασών άλλων μικροοργανισμών. Τέλος, έντονη ερευνητική και βιομηχανική δραστηριότητα παρατηρείται και στη βελτίωση παραγωγής τερπενίων για φαρμακευτικούς κυρίως σκοπούς.

 Προβλήματα ασφάλειας οικοσυστημάτων 
Η γενετική τροποποίηση κυανοβακτηριακών στελεχών με μεθόδους συνθετικής βιολογίας, ενέχει τον κίνδυνο διαρροής τροποποιημένων κυττάρων στο φυσικό περιβάλλον σε κάποιο από τα στάδια της καλλιέργειας ή των πειραματικών διεργασιών. Ένα τέτοιο γεγονός θα μπορούσε να προκαλέσει την αποσταθεροποίηση του εκάστοτε οικοσυστήματος, ευνοώντας την επικράτηση των τροποποιημένων στελεχών εις βάρος των φυσικών πληθυσμών και αλληλεπιδρώντας μαζί τους μέσω οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων. Για να αποφευχθούν αντίστοιχες απειλές της ποικιλότητας του φυτοπλαγκτού στο φυσικό περιβάλλον, έχουν αναπτυχθεί μηχανισμοί - διακόπτες ικανοί να ενσωματώνονται στο γονιδίωμα των τροποποιημένων στελεχών με στόχο να προκαλούν προγραμματισμένο κυτταρικό θάνατο σε συνθήκες εκτός καλλιέργειας. Πιο συγκεκριμένα, οι μηχανισμοί αυτοί έχουν την δυνατότητα να προκαλούν το θάνατο του τροποποιημένου κυττάρου είτε ενεργά, με τη δράση πρωτεϊνών που αποδιατάσουν το RNA ή καταστρέφουν το DNA, την κυτταρική μεμβράνη ή το κυτταρικό τοίχωμα, είτε παθητικά, με την βιωσιμότητα των συνθετικά τροποποιημένων κυττάρων να εξαρτάται από κάποια χημική ένωση που παρέχεται στο μέσο καλλιέργειας αλλά είναι σπάνια στο φυσικό περιβάλλον.

Φαρμακολογικές και τοξικολογικές ιδιότητες 

Τα κυανοβακτήρια παράγουν ποικίλες βιολογικά και χημικά δραστικές ενώσεις αρκετές από τις οποίες έχουν μελετηθεί εκτενώς. Αυτοί οι μεταβολίτες μπορεί να παρουσιάζουν ηπατοτοξικές, νευροτοξικές ή κυτταροτοξικές ιδιότητες και συνήθως είναι κυκλικά πεπτίδια, λιποπεπτίδια, λιπαρά οξέα, αλκαλοειδή και σακχαρίτες. Η βιοσύνθεσή τους πραγματοποιείται κυρίως κατά την άνθιση των κυανοβακτηρίων και είναι συνήθως πεπτίδια που δε συντίθενται στα ριβοσώματα. Παρόλα αυτά ο μηχανισμός βιοσύνθεσης πολλών παραμένει άγνωστος. Οι ενεργότητες που μπορεί να εμφανίζουν οι τοξικοί μεταβολίτες είναι: παρέμβαση στη μεταγωγή σήματος είτε ενεργοποιώντας ή αποφράσσοντας κανάλια νατρίου είτε στοχεύοντας πρωτεΐνες σηματοδότησης, διάσπαση πρωτεϊνών του κυτταροσκελετού επάγοντας έτσι απόπτωση, αναστολή μεμβρανικών υποδοχέων, μεταφορέων, πρωτεασών σερίνης κλπ. Οι μεταβολίτες των θαλάσσιων κυανοβακτηρίων παρουσιάζουν ενδιαφέρον στη φαρμακολογία λόγω των ιδιοτήτων τους να ελέγχουν την ανάπτυξη καρκινικών κυτταρικών σειρών και παθογόνων μικροοργανισμών (βακτήρια, ιοί, μύκητες, πρωτόζωα)

 Αντικαρκινικές ιδιότητες των κυανοβακτηρίων 
Τα κυανοβακτήρια αποτελούν μια αρχέγονη εξελικτική γραμμή των βακτηρίων. Στην πορεία της εξέλιξης τους, ως μικροοοργανισμοί, φαίνεται ότι απέκτησαν την δυνατότητα παραγωγής τοξινών, γνωστές ως κυανοτοξίνες αλλά και άλλων μεταβολιτών, οι οποίοι επιδρούν σε άλλους οργανισμούς με αρνητικό κυρίως τρόπο. Οι οργανισμοί αυτοί μπορεί είτε να είναι θηρευτές είτε άλλα μικροφύκη  . Πολλοί παράγοντες από αυτούς θα μπορούσαν δυνητικά να χρησιμοποιηθούν στην φαρμακευτική αντιμετώπιση του καρκίνου. Ο όρος «καρκίνος» χρησιμοποιείται για να περιγράψει μια ομάδα ασθενειών στις οποίες παρατηρείται ο ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός μιας ομάδας κυττάρων. Η έρευνα για την θεραπεία του καρκίνου διεξάγεται σε μεγάλη κλίμακα καθώς είναι ένα από τα σοβαρότερα προβλήματα υγείας στις ανεπτυγμένες χώρες. Βιοδραστικοί μεταβολίτες των κυανοβακτηρίων με κυτταροτοξική δράση θα μπορούσαν να συμβάλλουν καθοριστικά στην αντιμετώπιση αυτής της νόσου.

 Οι κυανοτοξίνες ως αντικαρκινικοί παράγοντες 
Παρόλο που οι κυανοτοξίνες ως τοξικοί παράγοντες μπορούν να προκαλέσουν διάφορες διαταραχές σε τόσο μεμονωμένους οργανισμούς όσο και σε ολόκληρα οικοσυστήματα, θεωρούνται επίσης μια πιθανή πηγή φυσικών κυτταροτοξικών ενώσεων με αντικαρκινική δράση. Αναλυτικότερα, από φαρμακολογική άποψη τα κυανοβακτηριακά κυκλοπεπτίδια που περιλαμβάνουν τις μικροκυστίνες και τις νοντουλαρίνες είναι σταθερά υδρόφιλα μόρια τα οποία αδυνατούν να διαπεράσουν τον φραγμό της κυτταρικής μεμβράνης των ζωικών κυττάρων. Ως εκ τούτου, προκαλούν την κυτταροτοξική τους δράση αφού μεταφερθούν στο εσωτερικό των κυττάρων μέσω ειδικών διαμεμβρανικών μεταφορέων γνωστών ως OATPs (Organic Anion Transporting Polypeptides). Η βιολογική τους δράση περιλαμβάνει την παρεμπόδιση της δραστηριότητας των φωσφατασών PP1 και PP2, και αύξηση της ενδοκυτταρικής συγκέντρωσης των ελεύθερων ριζών οξυγόνου (ROS) μέσω εξάντλησης της αντιοξειδωτικής γλουταθειόνης. Η αυξημένη γονιδιακή έκφραση των μεταφορέων OATPs σε διάφορους τύπους καρκίνου αποτελεί μια ενδιαφέρουσα προοπτική για την στοχευμένη και ελεγχόμενη χορήγηση των μικροκυστινών για την θεραπεία του καρκίνου .

 Δευτερογενείς μεταβολίτες των κυανοβακτηρίων με αντικαρκινική δράση 
Ενώ οι αρχικές ερευνητικές δραστηριότητες προσανατολίζονταν στην παραγωγή τοξικών παραγόντων, σήμερα είναι πλέον γνωστό πως κάθε κυανοβακτηριακό στέλεχος έχει τη δυνατότητα παραγωγής δευτερογενών μεταβολιτών με μοναδικά δομικά και χημικά χαρακτηριστικά. Σε αυτούς συμπεριλαμβάνονται πεπτίδια μικρού μοριακού βάρους  γραμμικά ή κυκλικά τα οποία παρουσιάζουν μια εξέχουσας σημασίας δομική ποικιλότητα. Μέχρι σήμερα τα πιο γνωστά κυανοβακτήρια που έχουν αναγνωριστεί για την ικανότητα να παράγουν δευτερογενείς μεταβολίτες με αντικαρκινική δράση ανήκουν στα γένη Anabaena, Oscillatoria, Microcystis, Nodularia, Cylindrospermopsis, και Lyngbya. Αναλυτικότερα, έχουν βρεθεί περίπου 100 βιοδραστικές ενώσεις από τα κυανοβακτήρια οι οποίες παρουσιάζουν αντικαρκινική δράση. Κυανοβακτήρια με δυνατότητα παραγωγής μεταβολιτών με αντικαρκινική δράση έχουν εντοπισθεί και στην Ελλάδα. Πιο συγκεκριμένα, τα στελέχη Jaaginema TAU-MAC 0110 and 0210 παρουσίασαν εντυπωσιακή αναστολή της ανάπτυξης στις κυτταρικές σειρές HuH-7 και Vero. Το γεγονός αυτό αποδόθηκε στην παρεμπόδιση της σωστής λειτουργίας της ακτίνης καθώς τα κύτταρα παρουσίασαν ανωμαλίες στο σχήμα τους καθώς και σχηματισμό ακανόνιστων προεκβολών στην μεμβράνη. Η αποκόλληση τους από την εξωκυττάρια μήτρα συνδέθηκε με το φαινόμενο της απόπτωσης. Ακόμη ήταν εμφανής ο σχηματισμός πολλαπλών λιποειδών σωματιδίων.

Η βρετουξιμάμπη αποτελεί ένα εγκεκριμένο φάρμακο από τον Οργανισμό Φαρμάκων και Τροφίμων (Food and Drug Administration, FDA), το οποίο προέρχεται από την δολαστατίνη-10. Η δολαστατίνη-10 αρχικά βρέθηκε στο μαλάκιο Dolabella auricularia, ωστόσο έπειτα έγινε αντιληπτό ότι η Dolabella auricularia αποκτούσε την δολαστατίνη-10 μέσω της διατροφής της η οποία αποτελείται κυρίως από μικροφύκη και ειδικότερα από κυανοβακτήρια. Σήμερα, είναι γνωστό ότι η δολαστατίνη-10 αποτελεί δευτερογενή μεταβολίτη των κυανοβακτηρίων των γενών Lyngbya, Symploca και Schizothrix. Η βρετουξιμάμπη αποτελεί πλέον ένα αντικαρκινικό φάρμακο το οποίο ανήκει στην κατηγορία των στοχευτικών αντικαρκινικών φαρμάκων γνωστά ως μονοκλωνικά αντισώματα. Ο μηχανισμός δράσης της περιλαμβάνει την δέσμευση στην διαμεμβρανική πρωτεΐνη CD30 η οποία υπερεκφράζεται σε διάφορα λεμφώματα και χρησιμοποιείται κυρίως για την θεραπεία των λεμφωμάτων Hodgkin’s . Υπάρχουν ακόμα και παραδείγματα αντικαρκινικών μεταβολιτών από κυανοβακτήρια που εντάσσονται σε πιο νέες κατηγορίες αντινεοπλασματικών ουσιών. Οι τασιαμίδες C-D καθώς και οι καρμαφυκίνες Α και Β ,οι οποίες προέρχονται από κυανοβακτήρια του γένους Symploca, παρουσιάζουν ισχυρή σύνδεση με την υπομονάδα β5 του πρωτεασώματος σε κυτταρικές σειρές του μύκητα S.cerevisaeae. Ως εκ τούτου διερευρνώνται την πιθανή αντικαρκινική τους δράση ως αναστολείς πρωτεασώματος . Επίσης είναι γνωστό ότι η μετάσταση ορισμένων τύπων καρκίνου επωφελείται από την καταστροφή της εξωκυττάριας ουσίας . Οι λινγκμπιαστατίνες που απομονώθηκαν από κυανοβακτήρια του γένους Lyngbya αποτελούν αναστολείς πρωτεασών και γίνεται έρευνα για την δυνατότητα τους να αναστέλλουν την επαγόμενη από μεταλλοπρωτεάσες καταστροφή της εξωκυττάριας ουσίας .

 Αντικαρκινικές ενώσεις από συμβιωτικά κυανοβακτήρια 
Σε πολλά κυανοβακτήρια που συμβιώνουν με σπόγγους η βιοπληροφορική ανάλυση απέδειξε ότι ενσωματώνουν στο γονιδίωμα τους τις βιοσυνθετικές οδούς PKS και NRPS οι οποίες συνδέονται με την παραγωγή βιοδραστικών ουσιών .Ωστόσο, η ποικιλότητα των συμβιωτικών κυανοβακτηρίων είναι σε μεγάλο βαθμό άγνωστη. Μέχρι σήμερα τα πιο γνωστά γένη αυτής της κατηγορίας ανήκουν στα Leptothoe και Phormidium εκχυλίσματα των οποίων παρουσιάζουν κυτταροτοξικότητα. Ειδικότερα, το στέλεχος Phormidium ectocarpi SAG 60.90 παρατηρήθηκε να παράγει την ενεργή ένωση hierridin B η οποία αποδεικνύει κυτταροτοξικές συνέπειες σε διάφορες κυτταρικές σειρές. Ωστόσο, το πεδίο αυτό απαιτεί περεταίρω διερεύνηση καθώς ελάχιστα είναι γνωστά ενώ οι βιοπληροφορικές αναλύσεις ορισμένων γονιδιακών συστοιχιών υπόσχονται σημαντικά φαρμακολογικά αποτελέσματα.
+Πίνακας 1. Αντικαρκινικά φάρμακα από κυανοβακτήρια.[SG1] ΜεταβολίτεςΠηγή (κυανοβακτήρια)Βιολογική δραστικότηταΑναφορέςMaedamideLyngbya sp.Πιθανή αντικαρκινική  δραστικότηταAlmiramides A–CLyngbya majusculaΑντικαρκινική  τοξικότηταAlmiramide DOscillatoria nigroviridisΑντικαρκινική τοξικότηταTasiamides C–DSymploca sp.Αντικαρκινική  τοξικότητα (ασθενής)carmaphycins A–B  (Symploca sp.Αντικαρκινική τοξικότητα

Αναστολή πρωτεασώνΚurahyneLyngbya sp.Επαγωγή απόπτωσης  κυττάρων HeLaCaldoramideCaldora penicillataGrassystatin  Α-Β, COkeania loreaΑναστολή καθεψινών*Lyngbyastatins 4-6,7,8-10Lyngbya sp. fΑναστολή πρωτεασών σερίνηςsymplocamide ASymploca sp.Εκλεκτική αναστολή  χυμοθρυψίνηςGrassypeptolides A–COkeania loreaΠαύση του κυτταρικού κύκλου στα σημεία ελέγχου G1 και G2/MBisebromoamideLyngbya sp.Αναστολή κυτταρικής  ανάπτυξης (πιθανή αναστολή της ERK κινάσης)Coibamide ALeptolyngbya spΑναστολή κυτταρικής ανάπτυξηςCryptophycinNostoc spΑποπολυμερισμός των  μικροσωληνίσκωνDolastatin  10,15Symploca sp.Δέσμευση στην β σωληνίνη των μικροσωληνίσκωνCuracin ALyngbya majusculaΔέσμευση στους  μικροσωληνίσκους στην θέση δέσμευσης της κολχικίνηςDolastatin 11 και  ανάλογες ενώσειςΠολλά θαλάσσια κυανοβακτήρια. Απομόνωση από D. aurilariaΥπερπολυμερισμός ινιδίων ακτίνης – διακοπή της  μίτωσης -Jaaginema sp.Διαταραχή του  δικτύου των ινιδίων ακτίνης- σχηματισμός πολυάριθμων λιποειδών σωματιδίωνLynbyabellins/hectochlorinLyngbya majusculaΥπερπολυμερισμός ινιδίων ακτίνηςLargazoleSymploca spΑναστολή των ενζύμων  HDACApratoxin και ανάλογες  ενώσειςLyngbya sp.Αναστολή πρώτο-ογκογονιδίων και ογκογονιδίων –  επαγωγή κυτταρικού θανάτουSomocystinamide A

SomocystinamideLyngbya majuscula, Schizothrix sp.Επαγωγή της  απόπτωσηςAurilides και ανάλογες ενώσειςLyngbya sp.Αναστολή της κυτταρικής ανάπτυξης

Αντινεοπλασματικά πεπτίδια
Παρόλο που έχουν αναγνωριστεί ποικίλες κατηγορίες δραστικών προιόντων των κυανοβακτηρίων τα πεπτίδια επικρατούν. Σημαντικός αντιπρόσωπος στα θαλάσσια κυανοβακτήρια είναι οι απρατοξίνες ο σκελετός των οποίων αποτελείται από πεπτίδια και πολυκετίδια. Συγκεκριμένα η  απρατοξίνη Α που απομονώθηκε από το Lyngbya majuscula εμφάνισε σημαντική κυτταροτοξικότητα σε κυτταρικές σειρές ανθρώπινων όγκων (in vitro) και επέφερε πλήρη ανάρρωση σε ποντίκια που βρίσκονταν σε πρώιμο στάδιο αδενοκαρκινώματος (in vivo). Η αντινεοπλασματική ιδιότητα της απρατοξίνης Α αποδίδεται στην ικανότητά της να σταματά τον κυτταρικό κύκλο στη φάση G1 σε κύτταρα όγκου. Επιπλέον εμποδίζει την ενεργοποίηση και φωσφορυλίωση της ογκογόνου πρωτεΐνης STAT3 (signal transducer and activator of transcription 3). Τέλος μπορεί να ρυθμίσει αρνητικά μερικούς υποδοχείς κινάσης τυροσίνης (RTKs) με τελικό αποτέλεσμα την αποικοδόμησή τους από το πρωτεάσωμα. Άλλες απρατοξίνες είναι οι Β με ασθενέστερη κυτταροτοξικότητα συγκριτικά με την Α, η C με ισχυρή κυτταροτοξικότητα, οι D,E,F και G.

Αναστολείς μικροσωληνίσκων
Οι μικροσωληνίσκοι αποτελούνται από διμερή τουμπουλίνης και νηματίων ακτίνης. Σχηματίζουν τη μιτωτική άτρακτο που είναι απαραίτητη για το διαχωρισμό των αδελφών χρωματίδων κατά τη μίτωση. Οποιαδήποτε παρέμβαση στο μηχανισμό αυτό οδηγεί σε διακοπή της μίτωσης και πιθανώς απόπτωση. Στους παράγοντες που διασπούν τους μικροσωληνίσκους άρα ελέγχουν τον πολλαπλασιασμό καρκινικών κυττάρων και προέρχονται από θαλάσσια κυανοβακτήρια ανήκουν τα πεπτίδια δολαστατίνης τα οποία έχουν την ιδιότητα να αναστέλλουν τη συναρμολόγηση των μικροσωληνίσκων διαλύοντας έτσι την μιτωτική άτρακτο.

Επίδραση στη λειτουργία των μεμβραβικών καναλιών
Τα κανάλια Να+ και Ca+2 που βρίσκονται στις κυτταρικές μεμβράνες συμμετέχουν ενεργά στη μεταγωγή σημάτων εντός και εκτός του κυττάρου. Πολλές έρευνες απέδειξαν ότι νευροτοξίνες που παράγονται από διάφορα είδη κυανοβακτηρίων εμπλέκονται τόσο  στην ενεργοποίηση όσο και στην αναστολή των καναλιών της μεμβράνης επηρεάζοντας την μεταγωγή σήματος. Ενδεικτικά, η χοιαμίδη Α που απομονώθηκε από τα είδη L. majuscula και  Phormidium gracile ενεργοποιεί τα κανάλια Να+ ενώ η αντιλατοξίνη και η κακλιτοξίνη προκαλούν νευρική νέκρωση. Επίσης, τα είδη των κυανοβακτηρίων Anabaena circinalis, A. perturbata var. tumida και Α. spiroides παράγουν  την σαξιτοξίνη που αναστέλει τα κανάλια Να+, Ca+2 και Κ+ ενώ η Μ1 αντιτοξίνη από το είδος Nostoc sp.  εμποδίζει την προσβολή την ηπατικών κυττάρων απο ηπατοτοξίνες αναστέλλοντας την λειτουργία ενός μεταφορέα ανιόντων. Όλες αυτές οι λειτουργίες καθιστούν τα κυανοβακτήρια σημαντική πηγή ουσιών για την παραγωγή αναισθητικών, αναλγητικών, σπασμολυτικών και αντιεπιληπτικών φαρμάκων.

Αντιμικροβιακή δράση
Πολλά είδη βενθικών και πλαγκτικών κυανοβακτηρίων παράγουν μεταβολίτες που έχουν την ικανότητα να σταματούν την ανάπτυξη των παθογόνων μικροοργανισμών. Το είδος L. majuscula παράγει τα ολιγοπεπτίδια καρμαμπίνη Α, δραγομαβίνη και δραγοναμίδη Α τα οποία δρουν αποτελεσματικά κατά της ελονοσίας μέσω της αναστολής των ανθεκτικών στην κινίνη στελεχών. Παρόμοια είναι η δράση της  βεντουραμίδης Α και Β που απομονώθηκαν από το είδος Oscillatoria sp. Το L. majuscula παράγει, επίσης, τη δραγοναμίδη Ε που εμποδίζει την ανάπτυξη του παθογόνου πρωτοζώου Leishmania . Οι βιρινταμίδες  Α και Β από το είδος Oscillatoria nigro-viridis εμποδίζουν την ανάπτυξη τόσο του Leishmania όσο και του τρυπανοσώματος ενώ το είδος  Lyngbya confervoides παράγει τις λοβοκυκλαμίδες Α-C από τις οποίες οι Α και Β έχουν αντιμυκητιακή δράση. Όλοι αυτοί οι μεταβολίτες δρουν επιλεκτικά ενάντια σε παθογόνους μικροοργανισμούς και παράσιτα διακόπτοντας τα μεταβολικά μονοπάτια των οργανισμών που στοχεύουν.

 Κυτοτοξική δράση στα φυτά 
Κυανοβακτηριακές τοξίνες, όπως οι μικροκυστίνες, έχουν αποδειχθεί επιβλαβείς για ένα ευρύ φάσμα ζωντανών οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων και αρκετών φυτικών ειδών. Ο γνωστός στόχος της τοξικότητας των μικροκυστινών στα φυτικά κύτταρα είναι οι μικροσωληνίσκοι, όμως πρόσφατες έρευνες έχουν δείξει ότι επηρεάζουν και την F-ακτίνη καθώς και την χρωματίνη.

Σε κυτταροκινητικά κύτταρα του είδους Oryza sativa, στα οποία έχουν επιδράσει μικροκυστίνες, παρατηρείται ότι τα νήματα της F-ακτίνης παρουσιάζονται αποπροσανατολισμένα καθώς και ομαδοποιημένα μετά από μικρής διάρκειας έκθεση τους στην τοξίνη.  Μετά από μακρά έκθεση τους, η ένταση της F-ακτίνης στο μικροσκόπιο μειώνεται και τα νημάτια της είναι ελάχιστα ορατά.  Σε μερισματικά κύτταρα τα οποία επεξεργαστήκαν με εκχύλισμα κυανοβακτηρίων παρατηρούνται οι ίδιες επιδράσεις στην ένταση της F-ακτίνης καθώς και στα νημάτια της, όπως αυτές που παρατηρήθηκαν όταν είχαν εκχυλιστεί με μικροκυστίνες.  Στα ριζικά κύτταρα ο αποπροσανατολισμός των νηματίων της F-ακτίνης, αυξάνεται σταδιακά, όσο αυξάνεται και η περίοδος έκθεσης των κυττάρων στην μικροκυστίνη.  Ειδικά μετά από αυξημένη περίοδο έκθεσης (24h), τα νημάτια της F-ακτίνης στα κύτταρα της ρίζας σχηματίζουν δακτυλίους. Αλλαγές παρατηρούνται και στην κυτοπλασματική ροή των ριζικών κυττάρων, τα οποία έχουν εκτεθεί σε εκχύλισμα.  Η κυτοπλασματική ροή ακόμα και μετά από μικρής διάρκειας έκθεση, παρατηρείται πιο αργή ή ακόμα σταματά.  Τα διχτυοσώματα μετά από έκθεση δημιουργούν συπλέγματα.  

Σε μεριστωματικά κύτταρα τα οποία έχουν εκτεθεί σε εκχυλίσματα στελεχών κυανοβακτηρίων που δεν παράγουν κάποια γνωστή τοξίνη παρατηρείται αποπροσανατολισμός και ομαδοποίηση των νηματίων της F-ακτίνης μετά από μικρής διάρκειας έκθεση.  Σε μερικές περιπτώσεις παρατηρούνται και δακτύλιοι ακτίνης. Μετά από μεγάλη περίοδο έκθεσης (24h), τα φαινόμενα συνεχίζονται με αποτέλεσμα τα νημάτια να εξαφανίζονται.  Σε αντίθεση, τα κύτταρα της ρίζας στην ζώνη επιμήκυνσης μετά από μικρής διάρκειας έκθεση, δεν επηρεάζονται άμεσα, ενώ μετά από αυξυμένη περίοδο έκθεσης το δίκτυο της F-ακτίνης παρουσιάζεται βαριά αποπροσανατολισμένο και ομαδοποιημένο, ενώ σχηματίζονται και δακτύλιοι ακτίνης.  Τα στελέχη που δεν παράγουν μικροκυστίνες, επηρεάζουν ακόμα, και τους μικροσωληνίσκους. Παρατηρείται αποπροσανατολισμός των μικροσωληνίσκων, και υπερβολικός σχηματισμός ενδοπλασματικών μικροσωληνίσκων. Επιπλέον  παρατηρούνται ανωμαλίες στους φραγμοπλάστες κατά τη διάρκεια της κυτταροκινάσης.

Τα παραπάνω ευρήματα λόγω των αλλαγών που προκαλούν στα ριζικά κύτταρα μπορούν να έχουν και οικολογική σημασία.

 Κυανοτοξίνες 

 Νευροτοξίνη BMAA 
Είναι γνωστό ότι τα κυανοβακτήρια μπορούν να παράγουν επικίνδυνα μόρια για την ανθρώπινη υγεία, η παραγωγή όμως των γνωστών κυανοτοξίνων είναι ταξινομικά σποραδική. Για παράδειγμα κάποια είδη παράγουν μικροκυστίνες που είναι αρκετά επιβλαβείς στην ανθρώπινη υγεία. Μια νευροτοξίνη β-Ν-μεθυλαμινο-L-αλανίνη (ΒΜΑΑ), φαίνεται να παράγεται από όλες τις γνωστές ομάδες κυανοβακτηρίων συμπεριλαμβανομένων των συμβιωτικών και ελεύθερων.

Το β-Ν-μεθυλαμινο-L-αλανίνη (BMAA), ως ένας δευτερογενής μεταβολίτης, είναι ένα μη πρωτεϊνικό αμινοξύ που βρέθηκε ότι παράγεται από συμβιωτικά κυανοβακτήρια στις ρίζες του γένους Nostoc. Αρχικά ανακαλύφθηκε σε ένα είδος φοινικόθαμνου και είναι υπεύθυνο για αρκέτες παθήσεις. Απομονώθηκε για πρώτη φορά από τα σπέρματα του φυτού Cycas micronesica το 1967 και εντοπίστηκε παγκοσμίως σε διάφορα υδάτινα οικοσυστήματα αλλά και σε ερημικά περιβάλλοντα .Η β-Ν-μεθυλάμινο-L-αλανίνη (BMAA) είναι ένας δευτερογενής μεταβολίτης  και ειδικότερα ένα νευροτοξικό μη πρωτεϊνικό αμινοξύ  που παράγεται από κυανοβακτήρια, δινομαστιγωτά και διάτομα. Η απορρόφηση του BMAA από τα κυανοβακτήρια ακολουθείται από σημάδια χλώρωσης, ενώ η βιοσύνθεση φαίνεται να συνδέεται με συνθήκες έλλειψης αζώτου και η αύξηση του τελευταίου στο περιβάλλον οδηγεί σε μείωση της τοξίνης. Από τον συνδυασμό αυτών των δύο καταστάσεων, προέκυψε ότι η εξωγενής προσθήκη ΒΜΑΑ στο περιβάλλον, επηρεάζει τον κύκλο του αζώτου αναστέλλοντας τη δράση του ενζύμου συνθετάση της γλουταμίνης (GS) , που αποτελεί ένζυμο «κλειδί» στο μηχανισμό αφομοίωσης αζώτου, καθώς είναι υπεύθυνο για την ενσωμάτωση  αζώτου σε γλουταμινικό οξύ ώστε να επέλθει ο σχηματισμός της γλουταμίνης. Προκειμένου να διερευνηθεί η επίδραση του BMAA στον κύκλο του αζώτου και συγκεκριμένα στη δράση της GS, χρησιμοποιήθηκαν στελέχη Synechococcus, τα οποία δεν βιοσυνθέτουν την τοξίνη. Τα στελέχη αυτά αναπτύχθηκαν σε κυτταροκαλλιέργειες  που βρίσκονταν  σε συνθήκες έλλειψης αζώτου ή και έκθεσης σε ΒΜΑΑ, και σε συνθήκες πλήρους τροφοδότησης με άζωτο. Προβλέφθηκαν και εξετάστηκαν όλες οι πιθανές παράμετροι διασφάλισης ορθών αποτελεσμάτων (πχ. προσδιορισμός αρχικής ποσότητας BMAA την στιγμή t0 στο μέσο ανάπτυξης των κυττάρων και προσδιορισμός της ποσότητας ΒΜΑΑ στο τέλος της καλλιέργειας, ώστε να επιβεβαιωθεί η αφομοίωση της ουσίας από τα στελέχη Synechococcus).  Ακόμη πέρα από τις δύο μακροχρόνιες εκθέσεις (24,48 και 96 ωρών) των καλλιεργειών, πραγματοποιήθηκαν και τρεις βραχυπρόθεσμες εκθέσεις (180 λεπτών)   σε BMAA ώστε να γίνει η αξιολόγηση της δραστικότητας της GS. Η δραστικότητα της GS προσδιορίστηκε in situ και ποσοτικοποιήθηκαν τα ενδοκυτταρικά επίπεδα των αμινοξέων γλουταμίνης και γλουταμικού. Ακόμη, έγινε φασματοφωτομετρικός προσδιορισμός φωτοσυνθετικών  χρωστικών ουσιών και προσδιορισμός πρωτεϊνών. Από την έρευνα αυτή προέκυψε ότι το BMAA επηρεάζει την οδό αφομοίωσης αζώτου στο Synechococcus. Αυτή η απόκριση φαίνεται να εξαρτάται από το εάν υπάρχει διαθεσιμότητα αζώτου ή έλλειψη στο μέσο καλλιέργειας. Μετά από μακροχρόνια έκθεση, το BMAA δεν είχε καμία αρνητική ή θετική επίδραση στη φυσιολογία των κυττάρων , υποδηλώνοντας ότι η διαταραχή του κύκλου GS/GOGAT ήταν παροδική και ότι το BMAA μεταβολίζεται και / ή συσσωρεύεται.. 
Επιπρόσθετα έχει βρεθεί ότι το ΒΜΑΑ μπορεί να ενσωματωθεί λανθασμένα αντί της σερίνης στις ανθρώπινες πρωτεΐνες και έτσι αυξάνεται η πιθανότητα εμφάνισης νευροεκφυλιστηκών ασθενειών. Το BMAA προτάθηκε ακόμα να είναι υπεύθυνο για την αμυοτροφική πλευρική σκλήρυνση και τον παρκινσονισμό. Το β-Ν-μεθυλαμινο-L-αλανίνη έχει ονομασθεί κι ως αργή τοξίνη εξαιτίας της μεγάλης περιόδου της λανθάνουσας κατάστασης της ασθένειας με την οποία σχετίζεται, της αμυοτροφικής πλευρικής σκλήρυνσης (ALS) . Επίσης, ανακαλύφθηκε πρόσφατα σε 9 ασθενείς στον Καναδά που έπασχαν από την ασθένεια του Αλτσχάιμερ. Βρέθηκε ακόμα ότι η λανθασμένη αυτή τοποθέτηση είναι υπεύθυνη για την άνοια και την προϊούσα υπερπυρηνική παράλυση.

Μια πρόσφατη μελέτη αναφέρει ότι το BMAA συσσωρεύεται σε πρωτεΐνες , το όποιο επιλεκτικά λειτουργεί σαν ενδογενής δεξαμενή νευροτοξίνης μέσα στο ανθρώπινο σώμα και απελευθερώνεται σταδιακά με το χρόνο και οι πρωτεΐνες αυτές μεταβολίζονται. Στη φύση παρουσιάζεται μαζί με τρία δομικά ισομερή: το 2,4-διαμινοβουτυρικό οξύ (2,4 DAB), το Ν-2(αμινοαιθυλ)-γλυκίνη (AEG) και το β-άμινο-Ν-μεθυλαλανίνη (BMAA) τα οποία μπορούν να προκαλέσουν τοξικότητα . Το BMAA μαζί με τα δομικά ισομερή DAB και AEG είναι πιθανό να παράγονται από διαφορετικά είδη κυανοβακτηρίων υπό ορισμένες συνθήκες σε πολλά υδάτινα περιβάλλοντα . Τοξικολογικές μελέτες έδειξαν ότι, κάτω υπό ορισμένες συνθήκες, το BMAA είναι πιθανό να ενσωματωθεί στις πρωτεΐνες νευρικών κυττάρων (κυρίως παρεγκεφαλίδα), προκαλώντας βλάβη στους νευρώνες και οξειδωτικό στρες .

Η συγκέντρωση του BMAA σχετίζεται με τη διαθέσιμη ποσότητα αζώτου και η παραγωγή του συνδέεται με την έλλειψη αζώτου . Το BMAA ταξινομείται σε τρεις διαφορετικές μορφές: ελεύθερο BMAA, δεσμευμένο BMAA και διαλυμένο BMAA . Οι συνθήκες έλλειψης αζώτου στο μέσο καλλιέργειας των κυανοβακτηρίων προκαλούν την αύξηση της συγκέντρωσης του ελεύθερου BMAA ενώ αντίθετα οι συνθήκες αύξησης αζώτου έχουν ως αποτέλεσμα την αναστολή της παραγωγής του . Άρα ο μηχανισμός παραγωγής του εξαρτάται από το διαθέσιμο άζωτο στο θρεπτικό μέσο . Επιπλέον, το ελεύθερο BMAA είναι ανάλογο με τον κύκλο αύξησης και αντιστρόφως ανάλογο με τη συγκέντρωση ΝΟ3-Ν . Όσο αφορά, το δεσμευμένο BMAA ενσωματώνεται σε πρωτεΐνες μέσω των πεπτιδικών δεσμών . Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι το δεσμευμένο ΒΜΑΑ δεν σχετίζεται με άζωτο και φώσφορο, ενώ  το διαλυμένο ΒΜΑΑ αυξάνεται με την απελευθέρωση του ενδοκυτταρικού ΒΜΑΑ από τα νεκρά κυανοβακτήρια .

Η παραπάνω κυανοβακτηριακή τοξίνη έχει την ικανότητα να βιοσυσσωρεύεται και να βιομεγενθύνεται μέσα από τη τροφική αλυσίδα στα υδάτινα αλλά και στα χερσαία οικοσυστήματα . Το ΒΜΑΑ υπάρχει πιθανότητα να έχει αρνητική επίδραση σε κάποια εμπορικά θαλασσινά όπως για παράδειγμα οστρακοειδή, στρείδια, ψάρια κτλ . Τέλος, το ΒΜΑΑ μπορεί να πυροδοτήσει νευροεκφυλισμό σε ευάλωτα άτομα. Για την αποφυγή αυτού του νευροεκφυλισμού μια λύση που μελετάται είναι η αυξημένη πρόσληψη σερίνης στο καθημερινό διαιτολόγιο.

Φυσικοχημικές ιδιότητες
Ο γενικός μοριακός τύπος της κυανοβακτηριακής τοξίνης BMAA είναι C4H10N2O2 και το μοριακό της βάρος είναι 118,13g mol−1 . Με βάση την ονοματολογία της IUPAC, χαρακτηρίζεται ως (5)-2-αμινο-3-(μεθυλαμινο)-προπανικό οξύ . Αποτελείται από μια καρβοξυλομάδα και δύο αμινομάδες . Επιπλέον, το BMAA είναι ένα πολικό, υδρόφιλο, βασικό αμυνοξύ (pKa και ισολεκτρικό σημείο) και είναι πιθανό να είναι παρόν σε ελεύθερες αλλά και σε πρωτεϊνικές μορφές .

Σχέση ΒΜΑΑ με τα κυανοβακτήρια
Η παραγωγή ΒΜΑΑ από κυανοβακτήρια εξαρτάται από τις συνθήκες ανάπτυξης ή τα στάδια του κύκλου ζωής . Έρευνες δείχνουν ότι τέσσερα στελέχη κυανοβακτηρίων μπορούν να παράγουν ΒΜΑΑ υπό περιοριστικές συνθήκες αζώτου (Nostoc sp., Microcystis wesenbergii, Anabaena sp. και Synechocystis sp.) . Ο ρόλος του ΒΜΑΑ στα κυανοβακτήρια δεν είναι ακόμα σαφής . Έχει όμως αναφερθεί ότι το ΒΜΑΑ είναι σε θέση να αναστείλει την ανάπτυξη κυανοβακτηρίων που δεν μπορούν να παράγουν ΒΜΑΑ (π.χ. κυανοβακτήριο Synechococcus) αλλά δεν έχει καμία επίδραση στα κυανοβακτήρια που παράγουν ΒΜΑΑ .

Έκθεση ΒΜΑΑ στον άνθρωπο
Ο άνθρωπος είναι δυνατό να έρθει σε επαφή με τα κυανοβακτήρια από αρκετές πηγές όπως  το νερό και το έδαφος. Πιο αναλυτικά, μπορεί να εκτεθεί είτε στο παραγόμενο ΒΜΑΑ είτε στα δομικά ισομερή του με διαφορετικούς τρόπους: 
Με δερματική επαφή: μέσω άμεσης επαφής με κυανοβακτηριακές ανθήσεις του υδάτινου περιβάλλοντος, 
Με την εισπνοή: μέσω εισπνοής αερολύματος (έμμεσης έκθεσης), με αέρα που περιέχει τοξίνες από το νερό, 
Με την τροφή: μέσω κατανάλωσης οργανισμών που ανήκουν στο υψηλότερο τροφικό επίπεδο και εκτίθονται σε κυανοβακτηριακές ανθήσεις ή κυανοβακτήρια (π.χ. θαλασσινά), 
Με τα συμπληρώματα διατροφής: μέσω κατανάλωσης συμπληρωμάτων διατροφής με βάση τα κυανοβακτήρια όπως Aphanizomenon και Nostoc .

Παρουσία ΒΜΑΑ στα συμπληρώματα διατροφής
Τα πιο κοινά κυανοβακτήρια που χρησιμοποιούνται για τη παραγωγή συμπληρωμάτων διατροφής φυκών, μη τοξικών, είναι η Spirulina (γένους Arthrospira), Aphanizomenon και Nostoc . Η κυανοβακτηριακή τοξίνη BMAA έχει ανιχνευθεί σε καλλιέργειες στελεχών ειδών κυανοβακτηρίων που ανήκουν σε Oscillatoria, Pseudanabaena, Anabaena, Planktothrix, Cyanodictyon, Limnothrix, Nodularia, Myxosarcina, Leptolyngbya, Microcoleus, Phormidium και Synechococcus . Υπάρχουν, λοιπόν, αμφιλεγόμενα αποτελέσματα σχετικά με τη παρουσία ΒΜΑΑ και των δομικών ισομερών του στα συμπληρώματα διατροφής με βάση τα κυανοβακτήρια . Ως το 2018 δεν υπήρχε επίσημος κανονισμός από τον Παγκόσμιο Οργανισμό Υγείας (ΠΟΥ) ή την Ευρωπαϊκή Αρχή για την ασφάλεια των τροφίμων (EFSA) όσο αφορά το ΒΜΑΑ και τα δομικά ισομερή του στο πόσιμο νερό, στα θαλασσινά, στα ψάρια και στα συμπληρώματα διατροφής φυκών (συμπεριλαμβανόμενης και της Spirulina) . Για τους παραπάνω λόγους και για το γεγονός ότι τα συμπληρώματα διατροφής με βάση τα κυανοβακτήρια δεν κατατάσσονται ως φαρμακευτικά προϊόντα είναι σημαντικό να υπάρχει επίγνωση, ευαισθητοποίηση .

 Σύνθεση Υδροκυανίου  
Ο όρος «κυάνιο» αναφέρεται εδώ και στο ανιόν κυανίου (CN-) καθώς και στο υδροκυάνιο (HCN) αφού η τιμή  pKa του CN- είναι 9.3 και σε ουδέτερο pH, όπως αυτό εσωτερικά του κυττάρου εμφανίζεται με την μορφή HCN . Είναι τοξικό για τον αερόβιο μεταβολισμό του κυττάρου καθώς προσδένεται  στο ιόν σιδήρου της α3 οξειδάσης μιτοχονδριακού κυτοχρώματος αναστέλλοντας την δράση του τερματικού ενζύμου της αναπνευστικής αλυσίδας. Ως αποτέλεσμα παύεται η μεταφορά ηλεκτρονίων και η οξειδωτική φωσφορυλίωση και το κύτταρο οδηγείται σε κατάσταση υποξίας . Παρά την τοξικότητά του, το κυάνιο είναι μια φυσική ένωση που συντίθεται από διάφορους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων βακτηρίων, μυκήτων, φυτών και ζώων, στα οποία η κυανογένεση μπορεί να χρησιμεύσει ως αμυντικός ή επιθετικός μηχανισμός .

 Μηχανισμός σύνθεσης κυανίου 
Οι πρώτοι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί στους οποίους έχει δηχθεί η παραγωγή κυανίου είναι το χλωροφύκος Chlorella vulgaris και τα κυανοβακτήρια Anacystis nidulans,(=Asterocapsa nidulans), Plectonema borganum, και Nostoc muscorum. Οι κυανογόνοι φωτοσυνθετικοί μικροοργανισμοί συνθέτουν κυάνιο μέσω τουλάχιστον 2 διακριτών συστημάτων: 1) το σύστημα αμινοξικής οξειδάσης-υπεροξειδάσης και 2) το σύστημα γλυκοξιλικής οξίμης . Η παραγωγή κυανίου επάγεται κυρίως από την Ιστιδίνη (αλλά και από άλλα αρωματικά αμινοξέα), και είναι μία αντίδραση που καταλύεται από οξειδορεδουκτάσες D-  και L- αμινοξέων. Γενικότερα, το μονοπάτι παραγωγής κυανίου είναι έντονα συντηρημένο στα διάφορα είδη οργανισμών και περιλαμβάνει κατά κύριο λόγο ένα L-αμινοξύ και την αντίστοιχη οξειδάση του . Αν και το ακριβές μονοπάτι σύνθεσης υδροκυανίου στα κυανοβακτήρια δεν είναι γνωστό έχει βρεθεί ότι η παραγωγή κυανίου αυξάνεται παρουσία υπεροξειδάσης ή ορισμένων οξειδωτικών μετάλλων. Επομένως είτε η αμινοξική οξειδάση βρίσκεται στο εξώτερο τμήμα του κυττάρου είτε το αμινοξικό ενδιάμεσο εκκρίνεται .

 Κυανογονική ποικιλότητα 
Η παραγωγή υδροκυανίου ποικίλει έντονα , και φαίνεται να σχετίζεται με τον τρόπο ζωής του εκάστοτε στελέχους. Σε έρευνα του 2022, από τα 119 στελέχη που μελετήθηκαν τα 52 βρέθηκαν θετικά για παραγωγή κυανίου με τα επιλιθικά στελέχη να έχουν την μεγαλύτερη συχνότητα κυανογένεσης (75%), αυτά των υδάτινων οικοσυστημάτων την μικρότερη (13%) και το στέλεχος του γλυκού νερού  Jaaginema sp. TAU-MAC 0110, να παράγει την μεγαλύτερη ποσότητα κυανίου, ανάμεσα στα στελέχη που εξετάστηκαν.Τα επιλιθικά κυανοβακτήρια συντρέχουν μεγαλύτερο κίνδυνο βόσκησης από θηρευτές, όπως Τροχοφόρα ή Βλεφαριδοφόρα , συγκριτικά με τα στελέχη των υδάτινων οικοσυστημάτων. Επομένως η ανάπτυξή ενός άμεσου αμυντικού μηχανισμού είναι πιθανόν να ευνοήθηκε από την εξέλιξη . Είναι πιθανό, ο μηχανισμός κυανογένεσης να ενεργοποιείται χημικά (οι θηρευτές εκκρίνουν κάποια ουσία που λειτουργεί ως έναυσμα), καθώς παρόλο που δεν έχουν γίνει άμεσες παρατηρήσεις χημικά ενεργοποιημένων συστημάτων σε μονοκύτταρους οργανισμούς, υπάρχουν αρκετά παραδείγματα αντιδράσεων χημικά ενεργοποιημένης μικροβιακής άμυνας, που θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως εννοιολογικά μοντέλα για τέτοια συστήματα. Ακόμα, είναι πιθανόν η κυανογένεση να πυροδοτείται από φυσική επαφή με βοσκητές.

Ποικιλότητα και εξάπλωση στον Ελλαδικό χώρο
Η ιστορία των φυσικών επιστημών σχετίζεται άμεσα με τον ελληνικό πολιτισμό, αφού, οι παλαιότερες ακόμα γραπτές αναφορές σε φυτά, ζώα, και φύκη βρίσκονται σε Ομηρικά έπη (8ος αιώνας π.Χ.) Η πρώτη αναφορά σε φύκη στη δυτική λογοτεχνία εμφανίζεται στην Ιλιάδα: [Ραψωδία ι, στ. 5-9]

«Βορέης καὶ Ζέφυρος, τώ τε Θρῄκηθεν ἄητον 
ἐλθόντ᾽ ἐξαπίνης· ἄμυδις δέ τε κῦμα κελαινὸν
κορθύεται, πολλὸν δὲ παρὲξ ἅλα φῦκος ἔχευεν·
ὣς ἐδαΐζετο θυμὸς ἐνὶ στήθεσσιν Ἀχαιῶν.»

Μετάφραση: (από Νίκο Καζαντζάκη και Ιωάννη Καρκιδή)

Μαζί δυο άνεμοι πώς ξεσήκωσαν φυσώντας απ᾿ τη Θράκη,
πονέντες και βοριάς, το πέλαγο το ψαροθρόφο, ξάφνου
χιμώντας πάνω του, και γρήγορα μαυρίζοντας το κύμα
πυργώθη, και σωρός στοιβάχτηκαν στο ακρόγιαλο τα φύκια'
παρόμοια κι η καρδιά σπαράζουνταν στων Αχαιών τα στήθη.

Επίσης ο Αριστοτέλης αναφέρει στο βιβλίο του Περί τα Ζώα Ιστοριών «οἷον ἐν χιόνι τῇ παλαιᾷ. Γίνεται δ' ἡ παλαιὰ ἐρυθροτέρα» που είναι αναφορά στο Watermelon snow που οφείλεται σε πληθυσμιακή έκρηξη του φύκους Chlamydomonas nivalis που ζει στο χιόνι και διαθέτει μια κόκκινη χρωστική ουσία την ασταξανθίνη.
Στις μέρες μας, η αναζήτηση για ελληνική μικροχλωρίδα συμπεριλαμβανομένων των κυανοβακτηρίων ξεκίνησε τον 20ο αι. με τις μελέτες φυκών γλυκών νερών από τους Stanković (1931) και Skuja (1937). Τις επόμενες δύο δεκαετίες δεν εντοπίζεται κάποια δημοσιευμένη εργασία για μικροχλωρίδα μέχρι τις έρευνες λιμνών του Αναγνωστίδη (1956). Κατά την διάρκεια των 60΄ ο Κωνσταντίνος Αναγνωστίδης έκανε δύο εκτεταμένες μελέτες στα κυανοβακτήρια θερμοπηγών και σε περιοχές με μεγάλες ποσότητες θείου σε περιβάλλοντα θαλάσσια αλλά και γλυκών νερών στην Ελλάδα. Αυτές οι ταξινομικές μελέτες αποκάλυψαν την ύπαρξη πάρα πολλών κυανοβακτηρίων, κάτι το οποίο οδήγησε στην περιγραφή αρκετών νέων ειδών, τα οποία αργότερα εντάχθηκαν στο μοντέρνο σύστημα ταξινόμησης των κυανοβακτηρίων.
Η συστηματική αναζήτηση στα κυανοβακτήρια στον ελλαδικό χώρο ξεκίνησε κατά τα 80’ όπου υπάρχουν αρκετές δημοσιεύσεις για την ταξινόμηση των κυανοβακτηρίων, τη μορφολογία των ειδών και τη δυναμική των πληθυσμών τους. Πιο πρόσφατες μελέτες στην ποικιλία των κυανοβακτηρίων στην Ελλάδα περιλαμβάνουν πολυφασικές και πειθαρχειμένες  μελέτες για τα γένη των κυανοβακτηρίων, τους φυσικούς πληθυσμούς, καθώς και της οικολογίας τους.
Παρ’ όλες τις πληροφορίες που είχαμε μέχρι και  το 2016 δεν είχαμε πουθενά συγκεντρωμένα όλα τα είδη που είχαν καταγραφεί στον Ελλαδικό χώρο επισήμων, όταν μια ερευνητική ομάδα του τμήματος Βιολογίας του Αριστοτελείου πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης αποτελούμενη από τους: Σπύρος Γκέλης, Ιορδάνης Ουραλλίδης, Μάνθος Πάνου, Νίκος Παππάς, κατέγραψε και δημοσίευσε σε μια λίστα όλη την μέχρι τότε πληροφορία.Συγκεντρωτικά τα είδη κυανοβακτηρίων στην Ελλάδα που είναι γνωστά και δημοσιευμένα σε λίστα μέχρι και σήμερα είναι 543. Τα είδη αυτά που ταξινομούνται σε 130 γένη και 41 οικογένειες και 8 τάξεις. Σε αυτή τη λίστα δεν περιλαμβάνονται διάφορα άλλα είδη που η ταξινόμηση τους είναι ιδιαίτερη, 85 στον αριθμό τα οποία βρέθηκαν σε κόλπους καταρράκτες σπηλιές και λίμνες.
Αξίζει να σημειωθεί ότι 18 είδη της λίστας έχουν περιγραφεί μόνο σε ελληνικά περιβάλλοντα καθιστώντας τα ενδημικά και μάλιστα σε σπανίως μελετημένα περιβάλλοντα καταδεικνύοντας την ανάγκη για περαιτέρω μελέτη αυτών. Επιπλέον αναφέρονται διάφορα νέα είδη τα οποία απομονώθηκαν από θαλάσσιους σπόγγους στη Αιγαίο πέλαγος επιβεβαιώνοντας την ανάγκη για περαιτέρω και πιο διεξοδική μελέτη του θέματος, ακόμα και στα πιο απίθανα περιβάλλοντα.

 Κυανοβακτήρια - Μεταβολομική 
Ο όρος «metabolome» εισήχθη από τον Oliver  και αντιπροσωπεύει το σύνολο των μικρών μορίων, ήτοι των μεταβολιτών ενός οργανισμού, οργάνου, ιστού ή κυττάρου. Αυτά τα μικρά μόρια μπορούν να εντοπισθούν μέσω της «Μεταβολομικής» ανάλυσης. Η Μεταβολομική είναι η συστηματική ανάλυση του συνόλου των προϊόντων του μεταβολισμού ενός οργανισμού, δηλαδή, επικεντρώνεται στο εκτενές δίκτυο βιοχημικών αντιδράσεων των κυττάρων ή ιστών, γεγονός που την καθιστά πολύ δυναμική προσέγγιση  .

Η ραγδαία εξέλιξη αναλυτικών τεχνολογιών, όπως αέρια (GC) και υγρή (LC) χρωματογραφία, υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης HPLC και τριχοειδική ηλεκτροφόρηση CE σε συνδυασμό με φασματοσκοπία μάζας MS και φασματοσκοπία μαγνητικού συντονισμού NMR επέτρεψε την εκτεταμένη ανάλυση των μεταβολιτών και πολύπλοκων μεταβολικών μονοπατιών σε σύνθετα βιολογικά δείγματα . Η Μεταβολομική ανάλυση περιλαμβάνει διαφορετικές προσεγγίσεις ανάλογα με τον αρχικό σκοπό μιας πειραματικής μελέτης, βασικότερες εκ των οποίων είναι η «στοχευμένη μεταβολομική ανάλυση» όπου εξετάζονται επιλεγμένες ομάδες μεταβολιτών χρησιμοποιώντας ειδικές τεχνικές διαχωρισμού/ανίχνευσης, η «δημιουργία προφίλ μεταβολιτών» που είναι η ταυτοποίηση και ο ποσοτικός προσδιορισμός των μεταβολιτών που υπάρχουν σε έναν οργανισμό, η «δημιουργία αποτυπωμάτων μεταβολιτών» που είναι μη στοχευμένη, υψηλής απόδοσης ποιοτική διαλογή μεταβολικών συστατικών ενός κυττάρου που αποσκοπεί κυρίως στην σύγκριση δειγμάτων και «ανάλυση μεταβολικής ροής (MFA)» όπου εφαρμόζεται επισήμανση με ισότοπα για να αποκαλυφθούν τα μονοπάτια σε ένα κύτταρο ή οργανισμό . Οι παραπάνω προσεγγίσεις έχουν εφαρμοστεί στην μελέτη του μεταβολισμού των κυανοβακτηρίων. Η έναρξη δημοσιεύσεων για τη μελέτη των κυανοβακτηρίων με τις τεχνολογίες “omics” έγινε το 1996 με την αλληλούχιση του γονιδιώματος του ευρύτατα χρησιμοποιούμενου στελέχους Synechocystis sp. PCC 6803 . Ακολούθησαν μεταγραφωμικές αναλύσεις με την τεχνολογία των μικροσυστοιχιών ή πιο πρόσφατα με αλληλούχιση RNA (RNAseq) οι οποίες συνδυάζονται πλέον με πρωτεομικές μελέτες . Μολονότι η μεταβολομική μελέτη των κυανοβακτηρίων εφαρμόζεται μόλις τα τελευταία χρόνια, η κατανόηση του μεταβολισμού τoυς είναι απαραίτητη καθώς τα κυανοβακτήρια θεωρούνται πλούσια πηγή δευτερογενών μεταβολιτών με πιθανές βιοτεχνολογικές εφαρμογές στον τομέα της φαρμακολογίας και, έτσι, αποτελούν αντικείμενο έρευνας βιοϊατρικών προϊόντων/φαρμάκων  και, επιπλέον, είναι σημαντικοί υποψήφιοι για την παραγωγή εμπορεύσιμων βιοκαυσίμων .

 Στοχευμένη μεταβολομική ανάλυση στα κυανοβακτήρια

Εφαρμογές στοχευμένης μεταβολομικής ανάλυσης στα κυανοβακτήρια στοχεύουν στην ανάλυση μεταβολιτών που συμμετέχουν σε κοινές ή προκαθορισμένες διεργασίες. Παράδειγμα αποτελεί η ανάλυση των τοξινών των κυανοβακτηρίων σε περιβαλλοντικά δείγματα. Για τον σκοπό αυτόν χρησιμοποιούνται η υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης HPLC και η υγρή χρωματογραφία LC σε συνδυασμό με τη φασματοσκοπία μάζας MS για την ποσοτικοποίηση βιοδραστικών ουσιών (κυκλικά πεπτίδια, αλκαλοειδή κ.α.). Αυτά τα αποτελέσματα θα συμβάλλουν στην δημιουργία αποτελεσματικότερων σχεδίων ελέγχου της ποιότητας του πόσιμου νερού .

 Δημιουργία μεταβολικών προφίλ στα κυανοβακτήρια

Ο προσδιορισμός χαρακτηριστικών μεταβολικών μοτίβων σε κύτταρα στελεχών κυανοβακτηρίων αποσκοπεί στην πλήρη κατανόηση του μεταβολισμού των κυανοβακτηρίων και όχι μόνο. Για παράδειγμα, η σύσταση των λιπαρών οξέων χρησιμοποιείται ως δείκτης για την ταξινόμηση μικροβίων τα λιπαρά οξέα μετατρέπονται σε μεθυλ-εστέρες που αναλύονται με GC/MS. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης της ολικής σύστασης του κυττάρου σε λιπαρά οξέα αξιοποιούνται στην ταξινόμηση ειδών διάφορων γενών κυανοβακτηρίων . Επιπλέον, ο προσδιορισμός της απόλυτης συγκέντρωσης μεταβολιτών για την δημιουργία μεταβολικού προφίλ συγκεκριμένων στελεχών κυανοβακτηρίων επιτρέπει όχι μόνο την σύγκριση μεταξύ στελεχών αλλά και τον έλεγχο αλλαγών στον κυτταρικό μεταβολισμό στις διαδικασίες μεταβολικής μηχανικής .

 Δημιουργία μεταβολικών αποτυπωμάτων στα κυανοβακτήρια

Η τεχνολογία των μεταβολικών αποτυπωμάτων στα κυανοβακτήρια χρησιμοποιείται κυρίως στον χαρακτηρισμό αλλαγών κάτω από διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες ή σε διαφορετικό γενετικό υπόβαθρο. Για παράδειγμα, έχουν χαρακτηριστεί μεταβολικά αποτυπώματα μετά από προσθήκη γλυκόζης στον κύριο μεταβολισμό του στελέχους Synechocystis PCC 6803, χρησιμοποιώντας υγρή χρωματογραφία σε συνδυασμό με φασματοσκοπία μάζας (LC/MS) και βρέθηκε ότι η αύξηση της γλυκόζης σε συνθήκες φωτός είναι τοξική για το κυανοβακτήριο . Επιπλέον, οι προσπάθειες δημιουργίας μεταβολικών αποτυπωμάτων με τον διαχωρισμό μεταβολιτών μικρού μοριακού βάρους αποκαλύπτουν και πολλά χαρακτηριστικά από άγνωστους μέχρι στιγμής μεταβολίτες. Για την εξακρίβωση των μεταβολικών τους μοτίβων κρίνεται απαραίτητος ο συνδυασμός διαφορετικών μεταβολικών τεχνολογιών και εκτενείς στατιστικές αναλύσεις. Αυτές οι άγνωστες μέχρι στιγμής ενώσεις μπορεί να σχετίζονται με φυσιολογικά φαινόμενα που είναι υπό μελέτη, επομένως μπορούν να αρχειοθετηθούν και να ενσωματωθούν σε βάσεις δεδομένων ως ενώσεις που δεν έχουν προσδιοριστεί ακόμη και να χρησιμοποιούνται ως δείκτες .

Βιβλιογραφία

Gao Z., Zhao H., Li Z., Tan X., & Lu X. (2012). Photosynthetic production of ethanol from carbon dioxide in genetically engineered cyanobacteria. Energy Environ. Sci., 5(12), 9857–9865  . https://doi.org/10.1039/C2EE22675H

Gkelis S, Ourailidis I, Panou M, Pappas N (2016) Cyanobacteria of Greece: an annotated checklist. Biodiversity Data Journal 4: e10084. https://doi.org/10.3897/BDJ.4.e10084
Gkelis S., Vlamis A., (2017). «Can cyanobacteria infect underground water sources? Indications from small scale monitoring of a natural drinking water source». Advances in Oceanography and Limnology, 2017; 8(1), DOI: 10.4081/aiol.2017.6280

Klemencic M., Nielsen A.Z., Sakuragi Y., Frigaard N.-U., Celesnik H., Jensen P.E., Dolinar M. (2017). Synthetic biology of cyanobacteria for production of biofuels and high-value products. Ιn: Muñoz R., Gonzalez-Fernandez C. (Eds) Microalgae-Based Biofuels and Bioproducts. Woodhead Publishing https://doi.org/10.1016/B978-0-08-101023-5.00013-3

Konstantinou D., Gerovasileiou V., Voultsiadou E., Gkelis S. (2018). Sponges-Cyanobacteria associations: Global diversity overview and new data from the Eastern Mediterranean. PLoS ONE 13(3): e0195001. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195001
Liu X., & Curtiss R. (2009). Nickel-inducible lysis system in Synechocystis sp. PCC 6803. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 106(51), 21550–21554. https://doi.org/10.1073/pnas.0911953106
Markley A. L., Begemann M. B., Clarke R. E., Gordon G. C., & Pfleger B. F. (2015). Synthetic Biology Toolbox for Controlling Gene Expression in the Cyanobacterium Synechococcus sp. strain PCC 7002. ACS Synthetic Biology, 4(5), 595–603. https://doi.org/10.1021/sb500260k

Paul Alan Cox, Sandra Anne Banack, Susan J. Murch, Ulla Rasmussen, Georgia Tien, Robert Richard Bidigare, James S. Metcalf, Louise F. Morrison, Geoffrey A. Codd, and Birgitta Bergman (2005) Diverse taxa of cyanobacteria produce β-N-methylamino-l-alanine, a neurotoxic amino acid. PNAS 102 (14) 5074-5078  https://doi.org/10.1073/pnas.0501526102
S.Downinga, S.A.Banackb, J.S.Metcalf, P.A.Coxb, T.G.Downinga (2011) Nitrogen starvation of cyanobacteria results in the production of β-N-methylamino-L-alanine. Volume 58, Issue 2, August 2011, pp. 187–194,   doi: 10.1016/j.toxicon.2011.05.017
Rachael Anne Dunlop, Paul Alan Cox, Sandra Anne Banack, Kenneth John Rodgers September 25, 2013. The Non-Protein Amino Acid BMAA Is Misincorporated into Human Proteins in Place of l-Serine Causing Protein Misfolding and Aggregation
Pappas,D., Panou,M., Adamakis,I.D., Gkelis,S. & Panteris,E. 2020. Beyond Microcystins: Cyanobacterial Extracts Induce Cytoskeletal Alterations in Rice Root Cells. International Journal of Molecular Sciences. https://www.mdpi.com/1422-0067/21/24/9649 
Pappas,D., Gkelis,S. & Panteris, E. 2020. The effects of microcystin-LR in Oryza sativa root cells: F-actin as a new target of cyanobacterial toxicity. Plant biology. https://doi.org/10.1111/plb.13120

 Παραπομπές 

 Εξωτερικοί σύνδεσμοι