Флоротаннины являются специфическими метаболитами бурых водорослей. Это фенольные соединения, представляющие собой сложную смесь олиго- и полимеров на основе флороглюцинола (1,3,5-тригидроксибензола) с размером молекулы от 126 Да (мономер) до 650 кДа. Клетки бурых водорослей содержат до 25% флоротаннинов в расчете на сухой вес, и состав этих соединений (соотношение молекул различных классов и степени полимеризации) видо- и тканеспецифичен. Исследования последних десятилетий свидетельствуют о том, что данная группа метаболитов имеет значительный прикладной потенциал в сфере аквакультуры и медицины. Флоротаннины характеризуются широким спектром биологической активности (антиоксидантная, противоопухолевая, антибактериальная, противогрибковая активность и др.), при этом различные биологические эффекты приурочены к конкретным препаратам флоротаннинов, полученным из определенных видов водорослей. В то же время исследования физиологических эффектов этих соединений в настоящее время ограничены узким списком объектов – источников флоротаннинов, и из всего многообразия бурых водорослей используются лишь несколько видов, относящихся к порядкам Fucales и Laminariales. Подавляющее большинство работ носит феноменологический характер и не ставит целью исследование механизмов действия флоротаннинов на клетки про- и эукариотических организмов. Данный проект впервые нацелен на исследование механизмов действия разных классов флоротаннинов на клеточном уровне. Будет получена детальная химическая характеристика флоротаннинов различного происхождения и проведена оценка их биологической активности по отношению к широкому спектру одноклеточных организмов. Впервые будут отдельно рассматриваться различные субклеточные фракции данных метаболитов. Новизна проекта определяется также широтой охвата природных источников флоротаннинов – будет проведен скрининг 20 видов, представляющих 5 порядков бурых водорослей, растущих в Российской Арктике. Актуальность данной работы заключается в создании фундаментальной базы для освоения данного биологического ресурса, который имеет широкий спектр потенциального прикладного применения (аквакультура, медицина, пищевая промышленность и др.).
В настоящее время в мире наблюдается значительный рост интереса к специфическим веществам, синтезируемым морскими организмами, особенно водорослями и беспозвоночными животными. Результаты подобных исследований имеют высокую научную ценность в том числе и потому, что они формируют фундаментальную базу для эффективного и безопасного практического использования данного биологического ресурса. Наш проект посвящен исследованиям структурного разнообразия и антибиотических свойств флоротаннинов – уникальных соединений, синтезируемых клетками морских бурых водорослей. В работе было использовано 20 видов бурых водорослей Арктического региона России, большая часть которых была детально исследована впервые.
На первом этапе выполнения проекта нами было показано, что бурые водоросли существенно различаются как по общему количеству, так и по молекулярной структуре синтезируемых флоротаннинов. Наибольшие количества флоротаннинов накапливают фукусовые и эктокарпусовые водоросли. В исследованных водорослях выявлено 33 класса флоротаннинов, различающихся по структуре базовых субъединиц. Также были обнаружены модифицированные молекулы флоротаннинов. Препараты флоротаннинов фукусовых и десмарестиевых водорослей проявляют наибольшую токсичность по отношению к модельным одноклеточным организмам.
Были собраны 20 видов арктических бурых водорослей, относящихся к шести порядкам: Fucales, Laminariales, Chordales, Ectocarpales, Desmarestiales и Sphacelariales. Из талломов водорослей были выделены две субклеточные фракции ФТ: внутриклеточная и ассоциированная с клеточной стенкой (КС). Показано, что наибольшие количества ФТ накапливают представители пор. Fucales и Ectocarpales. Впервые было исследовано содержание КС-связанных ФТ в талломах бурых водорослей разных таксономических групп. Показано, что представители разных порядков водорослей существенно различаются по распределению ФТ между двумя субклеточными фракциями. Самое высокое относительное содержание КС-связанных ФТ было отмечено у представителей пор. Ectocarpales и Sphacelariales. Анализ молекулярных профилей ФТ позволил выявить 33 класса этих метаболитов, различающихся по структуре базовых субъединиц. Также были обнаружены in vivo модифицированные ФТ. Было показано, что клетки разных водорослей преимущественно накапливают молекулы разных классов. Для большинства исследованных видов впервые была описана структура КС-связанных ФТ. Первая серия экспериментов по изучению антибактериальной, фунгицидной и альгицидной активности ФТ показала, что наибольшую токсичность по отношению к модельным одноклеточным организмам проявляют препараты фукусовых и десмарестиевых водорослей.
1. Выделены и структурно охарактеризованы внутриклеточные и связанные с клеточной стенкой (КС) флоротаннины 20 видов бурых водорослей, представляющих типичную альгофлору Российской Арктики: Fucus vesiculosus, F. serratus, F. edentatus, F. distichus, Ascophyllum nodosum, Pelvetia canaliculata (порядок Fucales); Saccharina latissima, Laminaria digitata (порядок Laminariales); Chorda filum (порядок Chordales); Punctaria plantaginea, Stictyosiphon subarticulatus, Pylaiella littoralis, Chordaria flagelliformis, Dictyosiphon hippuroides, D. foeniculaceus, D. chordaria, Ectocarpus siliculosus, Elachista fucicola (порядок Ectocarpales); Desmarestia aculeata (порядок Desmarestiales) и Chaetopteris plumosa (порядок Sphacelariales). Получена единая матрица данных, описывающая структурное разнообразие молекул флоротаннинов представителей шести порядков бурых водорослей, многие из которых изучаются впервые. В исследованных экстрактах водорослей было выявлено 33 класса флоротаннинов, различающихся по молекулярной структуре базовых субъединиц (фуколы/флоретолы, фугалолы, эколы/кармалолы, и их производные: гидроксиэколы, флороглюцинаты, трибензодиоксины и др.). Также были обнаружены модифицированные (ацетилированные и гликозилированные) флоротаннины.
Показано, что доминирующими внутриклеточными флоротаннинами фукусовых водорослей, некоторых эктокарпусовых водорослей (E. fucicola, E. siliculosus) и D. aculeata являются флоротаннины с арильными и эфирными связями (фуколы/флоретолы), а также гидроксилированные флоротаннины дибензодиоксинового ряда (гидроксиэколы/кармалолы). Также для этих водорослей характерно накопление разнообразных ацетилированных флоротаннинов. Молекулярный профиль флоротаннинов других эктокарпусовых водорослей (P. littoralis, Ch. flagelliformis, Dictyosiphon spp.) отличается отсутствием ацетилированных фенолов. Для представителей пор. Laminariales и Ch. plumosa характерно накопление немодифицированных дибензодиоксиновых флоротаннинов (эколы/кармалолы) и их гидроксилированных производных. Характерной чертой Ch. filum является преобладание в физодах флоротаннинов с эфирными связями (фугалолов).
Выявлена структура КС-ассоциированных флоротаннинов (для 17 видов водорослей – впервые). Показано, что единственным классом флоротаннинов, обнаруживаемым в КС всех исследованных видов, являются низкомолекулярные (степень полимеризации 4–11) гидроксилированные фенолы дибензодиоксинового ряда (гидроксиэколы/кармалолы). Эти же молекулы обнаруживаются в составе пула внутриклеточных флоротаннинов всех исследованных водорослей.
2. Исследовано общее содержание внутриклеточных и ассоциированных с клеточной стенкой флоротаннинов в талломах 20 видов бурых водорослей, представляющих типичную альгофлору Российской Арктики. Большинство представителей пор. Ectocarpales, Ch. filum и Ch. plumosa исследованы впервые. Показано, что наиболее высокое содержание внутриклеточных флоротаннинов (8–16% сух. массы) характерно для представителей пор. Fucales, особенно для рода Fucus (12.5–16% сух. массы). Талломы большинства исследованных водорослей пор. Ectocarpales содержат от 5 до 10% внутриклеточных флоротаннинов в расчете на сухую массу, и лишь один вид, S. subarticulatus, отличается значительно более низким уровнем внутриклеточных флоротаннинов (1.1% сух. массы). В талломах D. aculeata, Ch. filum и Ch. plumosa внутриклеточные флоротаннины содержатся в количестве 2.4–3.8% сух. массы. Самый низкий уровень содержания этой субклеточной фракции полифенолов отмечен у представителей пор. Laminariales (0.9–1.1% сух. массы).
Впервые исследовано содержание КС-связанных флоротаннинов в талломах бурых водорослей, представляющих разные таксономические группы. Показано, что в клеточных стенках большинства изученных видов содержится значительно меньше (в 3–10 раз) флоротаннинов, чем внутри клеток. Представители разных порядков водорослей существенно различаются по распределению флоротаннинов между двумя субклеточными фракциями. Самое высокое относительное содержание КС-связанных флоротаннинов было отмечено у представителей пор. Ectocarpales (до 60% от суммарного содержания полифенолов у S. subarticulatus) и Ch. plumosa (40%). Минимальное относительное содержание флоротаннинов в КС (4–9%) наблюдалось у фукусовых водорослей.
3. Получен первый блок данных по антибактериальной, фунгицидной, альгицидной и генотоксической активности флоротаннинов бурых водорослей. Определены значения минимальной ингибирующей концентрации (МИК) десяти препаратов внутриклеточных флоротаннинов, выделенных из F. vesiculosus, F. serratus, P. canaliculata (Fucales); Ch. filum (Chordales); P. littoralis, Ch. flagelliformis, D. foeniculaceus, E. siliculosus (Ectocarpales); D. aculeata (Desmarestiales) и Ch. plumosa (Sphacelariales). Показано, что наиболее низкие значения МИК в отношении большинства исследованных одноклеточных организмов, характерны для фукусовых водорослей, D. aculeata и E. siliculosus (4–25 мкг/мл в отношении бактерий и дрожжей). Наиболее чувствительным к флоротаннинам объектом оказались дрожжи, а наиболее устойчивым – микроводоросль Ch. vulgaris.
4. В рамках исследований генотоксических свойств флоротаннинов, была проведена серия пилотных экспериментов с использованием экстрактов внутриклеточных флоротаннинов трех эктокарпусовых водорослей (E. siliculosus, Ch. flagelliformis и P. littoralis) в тесте Эймса. Два исследованных экстракта внутриклеточных флоротаннинов эктокарпусовых водорослей показали слабую мутагенную (Ch. flagelliformis) или промутагенную (P. littoralis) активность в тесте Эймса, в отношении штамма Salmonella typhimurium TA100.
В ходе выполнения первого этапа проекта были собраны 20 видов арктических бурых водорослей, относящихся к шести порядкам: Fucales, Laminariales, Chordales, Ectocarpales, Desmarestiales и Sphacelariales. Из талломов водорослей были выделены две субклеточные фракции ФТ: внутриклеточная и ассоциированная с клеточной стенкой (КС). Показано, что наибольшие количества ФТ накапливают представители пор. Fucales и Ectocarpales. Впервые было исследовано содержание КС-связанных ФТ в талломах бурых водорослей разных таксономических групп. Показано, что представители разных порядков водорослей существенно различаются по распределению ФТ между двумя субклеточными фракциями. Самое высокое относительное содержание КС-связанных ФТ было отмечено у представителей пор. Ectocarpales и Sphacelariales. Анализ молекулярных профилей ФТ позволил выявить 33 класса этих метаболитов, различающихся по структуре базовых субъединиц. Также были обнаружены in vivo модифицированные ФТ. Было показано, что клетки разных водорослей преимущественно накапливают молекулы разных классов. Для большинства исследованных видов впервые была описана структура КС-связанных ФТ. Первая серия экспериментов по изучению антибактериальной, фунгицидной и альгицидной активности ФТ показала, что наибольшую токсичность по отношению к модельным одноклеточным организмам проявляют препараты фукусовых и десмарестиевых водорослей.
Тараховская Елена Роллановна (руководитель проекта), доцент СПбГУ – общее руководство проектом, координация работы научного коллектива, сбор растительного материала, обработка и анализ полученных данных, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка публикаций и докладов на конференциях.
Гулк Екатерина Игоревна, студентка СПбГУ, лаборант-исследователь – постановка экспериментов, работа с литературой по теме проекта, подготовка докладов на конференциях;
Исламова Рената Тагировна, студентка СПбГУ, лаборант-исследователь – сбор растительного материала, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка докладов на конференциях;
Яньшин Николай Адександрович, студент СПбГУ, стажер-исследователь – сбор растительного материала, обработка и анализ полученных данных, работа с литературой по теме проекта, постановка экспериментов, подготовка публикаций и докладов на конференциях.
| Акроним | RSF_SG_REG_2022 - 1 |
|---|
| Статус | Завершено |
|---|
| Эффективные даты начала/конца | 25/03/22 → 31/12/22 |
|---|
