Magneter bliver brugt til at udvinde algemolekyler for skønheden, bioplastindustrien

Iværksættere i akvakultursektoren står over for et problem - at udvinde alle de værdifulde molekyler fra tang- og algeceller er stadig virkelig svært. Men marineenzymer og magneter gør det nu nemmere at fjerne dyrebare molekyler og kan endda forvandle mikroalger til magnetisk styrede 'vehicles' til målrettet lægemiddellevering.

Algeceller indeholder alle slags nyttige stoffer, såsom omegaer, der bruges i kosttilskud, proteiner, antioxidanter til skønhedsprodukter, og organiske kemikalier, der bruges til at lave biologisk nedbrydelige alternativer til plast.

Desværre, mere end halvdelen af ​​de stoffer, der findes i tang, kan ikke høstes.

'Problemet med den industrielle proces med at udvinde alginat (en type syre, der findes i tang, der bruges i lægemidler) er, at 60 % af biomassen ikke vil kunne bruges til andet, sagde Dr. Kévin Cascella, en molekylær marinbiolog og projektleder for et projekt kaldet GENIALG.

Projektet bruger marine enzymer til at sikre, at alle de nyttige molekyler, der findes i algeceller, kan udvindes til industriel brug.

Som et resultat af fremskridt i næste generations sekventering og analyse af hele genomet af bakterier, der lever på tang, GENIALG mente, at der kunne udvikles relevante metoder til at overvinde den genstridige tangcellevæg.

De begyndte med selektivt at avle tang for højere vækstrater og et bedre udbytte, ligesom landmænd traditionelt har opdrættet kvæg for den bedste mælk, men med en ekstra dimension. Ved at bruge genetiske analyseteknikker, holdet identificerer de regioner af genomet, der er knyttet til specifikke egenskaber. Dette kunne være lipidindholdet i en tangcelle, for eksempel. Lipider er særligt interessante for nutraceuticals, kosttilskudsindustrien.

Forskerne så på, hvordan man kunne forbedre den fysiske og biokemiske udvinding af biomolekyler.

Nuværende industrielle processer involverer at bryde tangceller fra hinanden ved at slibe eller presse. På denne måde cellerne gennemgår en fraktioneringsproces for at adskille det flydende celleindhold fra de faste dele. Næste, forbindelserne fjernes med enzymer, der fungerer som biologisk saks, bryde cellevæggen på bestemte steder. Specifikke enzymer bruges til at generere og frigive særlige værdifulde biomolekyler.

Marine enzymer

GENIALGs forskere ved Roscoff Biologiske Station, Frankrig, har arbejdet på marine enzymer i de sidste 20 år, og de mener, at de har fundet nogle bakterielle enzymer, der kunne producere højere udbytter end de kommercielle.

'De forskellige slags enzymkombinationer muliggør nedbrydning af tangcellevæggen, sagde Dr. Cascella, tilføjer, at disse kombinationer genererer forskellige slags molekyler. Holdet tester de nye molekyler for at se, hvad de gør, og om de kan være nyttige i medicinske eller andre applikationer.

Holdet har to pilot-bioraffinaderi-anlæg og er ved at bygge en biobank, hvor forskere og offentligheden kan studere tangstammer på forskellige tidspunkter i deres livscyklus. Ifølge Dr. Cascella, de har allerede fundet en bestemt forbindelse, der har potentiale til at påvirke kræftceller, som de i øjeblikket undersøger nærmere.

Enzymer er ikke det eneste middel til at høste de eftertragtede forbindelser. En anden metode, der bliver undersøgt af andre videnskabsmænd, involverer brugen af ​​magneter.

For at mikroalger kan vokse, fotosyntese og producere biomolekyler værdsat af forskellige industrier, de skal være suspenderet i vand, og de har adgang til en lyskilde. Men lys bevæger sig ikke gennem vandet på en ensartet måde, og mikroalgeceller bevæger sig frit rundt.

VALUEMAG-projektet mente, at magneter kunne holde mikroalgecellerne konsekvent tæt på en lyskilde, så de ville fotosyntese med den maksimale hastighed. De indsætter små nanopartikler af jern i mikroalgeceller for at 'magnetisere' dem, ved hjælp af en ny enhed udviklet af projektet. Cellerne spredes derefter over en kegle med en magnetisk overflade og fodres med en konstant strøm af vand og lys. Dette sikrer, at de producerer så mange biomolekyler som muligt.

Magneter

Når det er tid til at høste de nyttige biomolekyler, magneter bruges igen.

Holdet bruger først en proces kaldet 'superkritisk CO ₂ ekstraktion' for at bryde mikroalgecellerne.

Når cellerne er brudt fra hinanden, forskerne står tilbage med en opløsning af mikroalgeekstrakter og nanopartikler. For at fjerne de molekyler, de ønsker, såsom proteiner eller lipider, projektet bruger en ny teknik, som de udviklede kaldet 'selektiv magnetisk separation', siger professor Evangelos Hristoforou, direktøren for Laboratoriet for Elektroniske Sensorer ved Athens Nationale Tekniske Universitet, Grækenland, og VALUEMAGs projektkoordinator.

Metoden involverer at dække nanopartiklerne med ligander - bittesmå molekyler, der binder til andre molekyler, som en slags biokemisk velcro. Liganden er specifikt tiltrukket af et bestemt målmolekyle og vil derfor "fange" det relevante molekyle. Fordi nanopartiklerne er magnetiseret, udsættelse af blandingen for en magnet gør det muligt at trække det fangede molekyle såvel som liganden og nanopartiklerne ud af blandingen. Et sidste trin adskiller liganden og nanopartiklerne, og molekylet frigives.

Da de to metoder ikke kræver nogen kemikalier, ekstrakterne er sikre at spise eller bruge i kosmetik.

VALUEMAGs forskning har også potentielle biomedicinske anvendelser. Forskerne opdagede, at magnetiserede mikroalgeceller kunne erstatte menneskelige stamceller, der bruges til at levere lægemidler.

Celleterapi

I øjeblikket, menneskelige stamceller injiceres med lægemidler, der ledes gennem kroppen og frigives på et bestemt tidspunkt. Teknikken kaldes celleterapi, men problemet med dette er, at menneskelige stamceller kan afvises af kroppen eller værre, blive kræftsyg.

Mikroalger har ikke denne form for problemer.

Mikroalgeceller kan injiceres med jernnanopartikler og det lægemiddel, der skal frigives i kroppen. Cellerne kan derefter ledes af en kliniker ved hjælp af magneter til det korrekte sted i kroppen - f.eks. lægemidler til at tackle leverkræft bør frigives tæt på leveren.

'De kan ikke vokse i vores kroppe, fordi de ikke er menneskelige celler, sagde Dr. Angelo Ferraro, chefbiolog for VALUEMAG. Og de er mindre immunogene, så de kan bruges som vehikel til kliniske terapier.'