走進藻藍 | 藻藍蛋白的科普知識

2022-08-12 16:40 賓美生物

本文轉載自光語生物;作者:俞建中博士(微信號:Scophy117)

(文中來源于網絡或他人的圖片,版權歸原作者所有,本文僅用于科普宣傳,不涉及任何商業利益,本系列所有前篇及后篇均遵守此規則,他人如有轉引,敬請尊準?。?/span>




(以下正文)

因為不同地區的翻譯和商業名稱的問題,首先列個中英對照的表格,對本文中提到的相關稱呼進行限定。清一色的“phyco”前綴,看的人眼花繚亂、頭暈目眩。(注:phyco-,意思為藻的/與藻相關的)

1. 文中名詞的中英文對照

幾個名詞解釋


第一段簡單介紹一下藻藍蛋白相關的背景知識。

(一)藻膽素(phycobilin)

藻膽素是一類由4個吡咯環通過甲烯基連接成直鏈結構的發色團物質,現在發現的藻膽素有四種,分別是藻紅膽素、藻藍膽素、藻紫膽素和藻尿膽素,相應的結構及特征如下圖1和表2描述。


1. 幾種藻膽素的化學結構.(a)藻紅膽素(phycoerythrobilin),(b)藻藍膽素(phycocyanobilin),(c)藻紫膽素(phycoviolobilin)和(d)藻尿膽素(phycourobilin)。


2. 四種藻膽素的特征

這類以4個吡咯環為基本結構的物質,還有葉綠素和血紅蛋白

2. 葉綠素和血紅蛋白中的四吡咯環結構(形成環狀)

(二)藻膽蛋白(phycobiliprotein)

藻膽蛋白:在藍藻和紅藻等物種中,若干數量的藻膽素與特定的可溶性蛋白以二硫鍵結合,這個復合物質我們稱之為藻膽蛋白,通常一個藻膽蛋白中含有8個以上藻膽素。結合藻藍膽素的藻膽蛋白就稱為藻藍蛋白,結合了藻紅膽素就稱為藻紅蛋白,結合了藻紫膽素就稱為藻紅藍蛋白。藻膽蛋白在細胞中的作用是在光合作用的過程中將光能傳遞給葉綠素,而其中藻膽素的作用是能有效是吸收紅、橙、黃、綠等特定波長的光(葉綠素無法有效吸收的光波長范圍)。如淺水藻類中藻膽素通常是擅長吸收紅/黃光,而深水水域藻類中含有的藻膽素往往更擅長吸收綠光。

3. 藻膽素(上圖黑點結構)與一些可溶性蛋白結合形成藻膽蛋白(亞基),圖中a、b分別為藻藍蛋白的α和β亞基。

(三)藻膽體(phycobilisome)

藻膽體:藻膽體是藍藻和紅藻主要的光合天線復合體,它們在葉綠素綠光能隙(green-gap)中獲取光能,并將高量子效率的激發能轉移到光合反應中心,通常是光系統II (PS-II)。結合下面的模式圖,我們可以了解到,藻膽體位于類囊體膜上,結構上,從外(頂端)到內依次是藻紅蛋白、藻藍蛋白和別藻藍蛋白,再往內是葉綠素,整個結構就是個一個捕光天線,能量傳遞的順序也遵循這個順序。

4. A. 位于類囊體膜上的藻膽體的示意,B。能量轉移(包括電荷分離)的步驟。每個藻膽體包含一個由別藻藍蛋白組成的核心,從這個核心,由藻藍蛋白和藻紅蛋白組成的幾根桿狀體向外延伸,起著收集光線的天線的作用,通過這些“桿子”吸收的能量被有效地轉移到葉綠素色素中,供它們在光合反應中使用。(ATT Bioquest?)

二、藻藍蛋白和別藻藍蛋白

藻藍蛋白和別藻藍蛋白的區別主要在于藻膽藍素連接的蛋白不同,表現在理化屬性上,藻藍蛋白最大吸收峰是620nm,而別藻藍蛋白的最大吸收峰是652nm(不同藻類的數據或有不同)。

所有的藻膽蛋白(包括藻藍蛋白和別藻藍蛋白)的結構是類似的。以藻藍蛋白為例,藻藍蛋白為兩個亞基組成異二聚體蛋白,兩個亞基稱為αβ,其中α亞基聯結了一個藻藍膽素,β亞基聯結了兩個藻藍膽素,這樣三個二聚體蛋白首尾相連,就成為一個三聚體的甜甜圈式結構,也存在兩個三聚體緊密交疊形成六聚體,也是甜甜圈結構,直徑都為11nm左右。

在藻膽體上的位置,藻藍蛋白是伸出來的天線(6-8摞),別藻藍蛋白是基底的核心(2-5摞)。如下圖d所示,兩者疊放的方向也是不同的。

5. 由藻藍蛋白和別藻藍蛋白構成的藻膽體基本結構

上文已經提到過,在許多藻類,尤其是一些紅藻中,這個結構還有藻紅蛋白的參與,和藻藍蛋白摞在一起,位于遠離別藻藍蛋白一端,如圖6所示。

6. 有藻紅蛋白的藻膽體示意圖

商業產品所謂的藻藍蛋白,作為食品原料級別是包括了藻藍蛋白和別藻藍蛋白的混合物。單純的別藻藍蛋白通常開發作為熒光試劑。

三、藻藍蛋白生產

以藍藻誕生為基準的話,藻藍蛋白作為藍藻進行光合作用不可或缺的成員,出現至今有35億年左右了,覆蓋了生命演化時段的絕大部分進程。藻藍蛋白是藍藻實現光合作用高效的基礎,尤其體現在450-650nm波長的太陽光子的高效利用,它原始地球就擔任能量捕獲者的角色,因而被稱為生命起源的最重要物質也不過分。

自然界中,藍藻是藻藍蛋白最大的來源,藻藍蛋白(含別藻藍蛋白)在藍藻細胞中占很大的比例,以螺旋藻為例,最高可占細胞干重20%,相應的,幾乎占藻體總蛋白的1/3左右。如果在特定的培養條件下(如弱光),藻藍蛋白的含量能夠進一步提高。

6. 螺旋藻中提取的食品級藻藍蛋白

除了一些試劑級產品,從螺旋藻中提取藻藍蛋白是目前藻藍蛋白商業化生產的主要途徑和最簡潔手段。新近的研究已經實現了利用轉基因技術在大腸桿菌中表達出藻藍蛋白,但是類似技術要實現產業化,還有很長一段路要走。同時美國FDA在去年也通過了來源于一種紅藻Galdieria sulphuraria的藻藍蛋白產品的一般性安全認證(GRAS Notice (GRN) No. 1000, https://www.fda.gov/media/155000/download),相應的企業也拿出了商業化的產品。另外多說一句,關于Galdieria sulphuraria,即使是在專業圈里,關注度一直不高,后期會專門寫一篇。

7. 紅藻Galdieria sulphurariaNational Geographic.)

以螺旋藻藻藍蛋白規模生產為例,從工藝上講簡單分為以下幾個步驟。

1)破壁:提取的第一步需要把藻的細胞壁打開。常見的破壁技術可分兩類,物理手段如高壓、機械剪切、凍融、低滲、超聲和微波輔助等,化學方法如混合試劑、酶解、酸解、活性劑等等,當然在生產應用中,首先還是要考慮設備與工藝的難易度,以及成本可控性。

2)溶解:不管原料是干粉還是濕藻泥,都需要把藻藍蛋白先溶解到水里,這一步通常跟第一步一起執行,為了藻藍蛋白的穩定,需要對水溫進行控制,并涉及離子背景和pH等參數的設置。

8.浙江賓美生物科技有限公司藻藍蛋白生產線與檢測實驗室

3)分離:固液分離脫渣之后,溶解在水中的藻藍蛋白通常用利用鹽析/蛋白質等電點絮凝等方法先分離出來獲得粗品。

4)純化:粗品需要進一步純化去除雜蛋白和不必要的各類離子,應用到鹽溶-鹽析、過濾、滲透-反滲透、層析等技術原理,純化這個階段有諸多的技術創新,誕生了很多新設備,而且因為對產品純度要求的不同,在應用中工藝設計的差異會非常大。

9. 溶液狀態下藻藍蛋白能發出熒光(右)

5)制劑:通過純化環節,拿到“高”純度產品在供應市場之前,還有個制劑化的過程,比如配置成一定濃度的水劑或者干粉制劑,為保證產品的穩定性調節pH、加入特定化學物質(如檸檬酸鈉)或微膠囊化等處理。

3. 國外一些生產藻膽蛋白生物制劑的企業及產品

國外一些生產藻膽蛋白生物制劑的企業及產品

四、藻藍蛋白的商業應用

(一)食品添加劑——色素

藻藍蛋白是自然界少有的可食用的藍色色素,而且是絢麗的寶石藍色。美國FDA于2013/2014年對藻藍蛋白在一些食品中的應用做出了許可,包括飲料、奶酪、冰激凌、糖果、口香糖、酸奶、布丁等多種常見食品,我國關于藻藍蛋白制品《食品添加劑 藻藍》的國家標準也與2021年3月開始實施(GB 1886.309-2020),因而這些年藍色的食品也變的越來越多見。

10. 以藻藍蛋白作為天然的藍色色素越來越多的運用于各種食品

(二)化妝品

藻藍蛋白在化妝品中的應用主要也是以色素的形式體現,常見的產品有潤膚霜、增白霜、香皂、眼線膏、唇膏等等。

11. 藻藍蛋白應用于各類化妝品

3)生物學功效

藻藍蛋白的健康功效研究是最近這些年研究最多的內容,足夠寫一大本書的,研究主要關注在以下方面:抗氧化、抗炎癥、抗癌、抗動脈硬化/降血脂、抗菌/抗病毒、免疫調節、神經保護、器官修復、減低藥物毒副作用、抑制結石和脂質過氧化、傷口愈合等等。因為法規的問題,以健康食品或藥品形式體現的藻藍蛋白制品還未能面世,多數研究還處在功效實驗或臨床研究階段。


12. 藻藍蛋白在健康食品領域的應用將是不擇不扣的“藍”海

另外特別涉及一個方面是藻藍蛋白在光動力治療方面的應用。用口語解釋就是:藻藍蛋白作為光合作用色素,具有在被特定波長光照到之后放出電子的能力,這個電子實際是具有破壞能力的,打斷或破壞一些生物大分子(如蛋白、核酸之類的),因而導致細胞的損傷乃至死亡,利用這個原理,就可以把藻藍蛋白注射到癌癥病灶,輻射以特定波長的光,從而破壞或殺死癌細胞,達到癌癥治療的效果。

4)生化試劑

藻膽蛋白,包括藻藍蛋白、別藻藍蛋白、以及藻紅蛋白是一類能天然發出熒光的物質,具有激發性強、波長偏移寬、摩爾消光系數高、熒光量子產率高等光譜特性,要優于傳統的熒光試劑。經過特別手段制備或修飾的藻膽蛋白(主要為藻紅蛋白和別藻藍蛋白)在一些細胞生物學研究手段,如熒光流式細胞術、熒光顯微鏡、單細胞分析、熒光激發細胞分選及免疫測定法等技術中已經得到應用。

13. 生化制劑領域的藻藍蛋白產品

五、藻藍蛋白的產業現狀與未來

說產業之前先說科研,產業不好評估,科研倒是可以看出明顯的趨勢,下圖是在NCBI的PubMed中輸入關鍵詞“phycocyanin”,自1942年以來,關于藻藍蛋白的科學研究論文數量,共計2200多篇,在近些年呈現快速上升的趨勢,可見這個研究領域的熱門程度。

14. NCBI-PubMed中以藻藍蛋白(phycocyanin)為關鍵詞檢索,歷年來研究論文數量的變化趨勢

3列出了一些國際藻膽蛋白產品生產企業,包含了螺旋藻藻藍蛋白和一些較為特殊試劑產品。國內至少有五六家藻藍蛋白生產企業,均生產色素級螺旋藻藻藍蛋白,因客觀原因,未能統計到生產情況。另有中科院南海海洋所等研究單位掌握了高純度(醫藥級和試劑級)螺旋藻藻藍蛋白的生產技術,并有相應產品供應。

15. 中科院南海所海水螺旋藻藻藍蛋白精提中試裝置及高純度產品

藻藍蛋白產品的未來趨勢,存量(紅海)在作為色素應用,增量(藍海)在健康食品和藥品的開發。

國際天然色素市場,在天然取代合成的趨勢下,一直呈現穩定快速上升趨勢,估算目前總體市場規模已經接近20億美元。在藍色這個區塊,藻藍蛋白是最具優勢的產品,而且食品界利用藻藍蛋白有針對性的開發出來很多新穎的食品,比如藍色的飲料、冷飲、(植物)奶制品、各種化妝品等等,如能更能好的解決產品穩定性問題,還將有進一步的發展空間。

16.藻藍蛋白色素應用于食品和化妝品展現的形形色色

藻藍蛋白的生物學功效,即針對各類癥狀或疾病的治療或輔助治療的效果,一直是藻藍蛋白領域研究的重點,從基礎研究以及臨床試驗的結果為依據,雖然目前為法規所局限,藻藍蛋白開發作為健康食品和藥品也只是時間問題。這個領域的市場空間有多大,就不去做預測了,畢竟事在人為,產品的品質基礎已經確定的情況下,后期還要靠大家去腳踏實地的做出來,海有多“藍”就看你藻藍蛋白上多少量。

17.藻藍蛋白為原料的健康食品或許面世在即


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