Экзополисахариды, составная часть бактериальной биопленки, действуют как защитная оболочка для экстремофильных бактерий и имеют высокую промышленную ценность для разработки натуральных добавок для фармацевтической и пищевой промышленности. Несколько микробных экзополисахаридов, таких как ксантан, геллан и декстран, уже широко применяются в пищевой промышленности, и теперь открыт новый.
В статье, опубликованной в журнале Scientific Reports, сообщается, что исследователи проанализировали биопленку, созданную бактериями, обнаруженными в горячих источниках Эль-Медано, расположенных в Чили в Центральных Андах, и пришли к выводу, что один из ее ключевых ингредиентов может быть использован для разработки натуральных добавок для фармацевтической и пищевой промышленности.
Рассматриваемый ингредиент биопленки — экзополисахарид (exopolysaccharide, EPS), кластер внеклеточных углеводных полимеров, продуцируемых термоустойчивым штаммом Med1 бактерии Pseudomonas alcaligenes, которая растет в диапазоне температур 34–44 °C. EPS защищает клетки бактерии в негостеприимной среде ее обитания, характеризующейся высокими температурами, кислыми значениями pH и повышенными концентрациями металлов.
С ростом спроса на натуральные биоактивные соединения в нескольких отраслях промышленности исследования EPS усилились из-за структурных и функциональных свойств, которые предлагают ценные альтернативы синтетическим добавкам.
Микробные EPS также имеют несколько преимуществ по сравнению с полисахаридами растительного происхождения, включая гораздо более широкий спектр физико-химических свойств и биологической активности. К ним относятся противовирусные, противоопухолевые, иммунорегуляторные, антиоксидантные и эмульгирующие эффекты.
EPS также хороши для флокуляции — способствуя агрегации мелких частиц в жидкости или растворе для формирования более крупных кластеров. Учитывая все эти преимущества, EPS получают много внимания со стороны пищевой, косметической, биомедицинской, биоматериальной и очистной промышленности.
Изучение структур, полученных из экстремофильных бактерий (способных процветать в условиях окружающей среды, экстремальных для большинства живых существ с точки зрения давления, кислотности, солености, тепла и т. д.), — это способ лучше понять их и создать возможности для получения новых ресурсов из этих веществ с использованием биотехнологических приложений.
«Мы решили изучить горячие источники в центральном чилийском регионе Мауле, поскольку они относительно не изучены с точки зрения биотехнологических аспектов биологически активных соединений с добавленной стоимостью, вырабатываемых бактериями в рамках их устойчивости к стрессу, вызванному факторами окружающей среды, в которой они обитают», — рассказал Жуан Пауло Фаби, профессор кафедры пищевых продуктов и экспериментального питания в Школе фармацевтических наук Университета Сан-Паулу (FCF-USP) в Бразилии и соавтор статьи.
Первая часть исследования, проведенного совместно бразильскими, чилийскими, американскими и иракскими исследователями, состояла из выделения бактерии из образца воды, собранного в горячих источниках, секвенирования ее генома и экспериментов по оптимизации производства EPS при высокой температуре для подтверждения ее термоустойчивости.
Было обнаружено, что изолированный штамм выдерживает температуру 44 °C, а оптимальная температура роста составляет 37 °C. По словам исследователей, это хорошая новость, поскольку нежелательные микроорганизмы не могут расти при такой высокой температуре в процессе производства EPS.
Вторая часть исследования включала физическую и химическую характеристику EPS и функциональный анализ с целью его технологического применения в пищевой и фармацевтической промышленности. В рамках этого этапа Апарна Банерджи, профессор Чилийского автономного университета, посетила лабораторию Фаби при поддержке Национального фонда научного и технологического развития Чили (Fondecyt).
«Исследование пришло к выводу, что EPS, продуцируемый P. alcaligenes Med1, обладает уникальными структурными свойствами и термической стабильностью, а также проявляет значительную антиоксидантную, эмульгирующую и флокуляционную активность, что делает его пригодным для потенциального применения в пищевой и фармацевтической промышленности в качестве натуральной добавки», — сказал Фаби.
Эксклюзивные структурные данные, полученные с помощью секвенирования генома и аналитических исследований, также создают основу для изучения других экстремофильных бактериальных экзополисахаридов с аналогичными применениями.
«Хотя для коммерческого использования необходимы дополнительные испытания и разрешения регулирующих органов, этот EPS демонстрирует большой потенциал в качестве натуральной альтернативы синтетическим добавкам, особенно в областях, где требуются термическая стабильность и биосовместимость», - сказал он.
По словам Фаби, результаты исследования также предлагают модель оптимизации производства EPS и новые перспективы биологической активности этого соединения, что потенциально может привести к разработке устойчивых или экологически чистых добавок для различных секторов, включая пищевую, косметическую и фармацевтическую промышленность.
Источник: FAPESP, Автор: Таис Сегё.
На заглавном фото - карта, показывающая местоположение горячего источника Медано, расположенного в Андских горах в регионе Мауле, Чили, и фотографии места исследования. Справа филогения изолята Med1 (отмечена красной стрелкой) показывает сходство с Pseudomonas alcaligenes. В правом верхнем углу микрофотография SEM, демонстрирующая морфологию изолированного Med1. Источник: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-74830-6.