Thúc đẩy tảo H. pluvialis tăng sản xuất astaxanthin và lipid

Astaxanthin là chất chống oxy hóa tự nhiên mạnh có tiềm năng và giá trị thị trường cao trong nền kinh tế toàn cầu. Astaxanthin được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm, nuôi trồng thủy sản, mỹ phẩm và các lĩnh vực khác, đặc biệt bao gồm chăm sóc y tế và dược phẩm, vì đặc tính chống lão hóa và chống ung thư liên quan đến phòng chống các bệnh tim mạch và tiểu đường. Tảo Haematococcus pluvialis là nguồn astaxanthin tự nhiên phong phú nhất và hiện đang được nuôi với số lượng lớn để sản xuất astaxanthin. Tuy nhiên, hiệu quả sản xuất thấp đã là một trở ngại lớn hạn chế khả năng trong cải thiện việc sản xuất astaxanthin bao gồm thiếu hụt chất dinh dư ỡng, nhiệt độ cao, ánh sáng mạnh và độ mặn cao. 

Axit γ-aminobutyric (GABA) là một axit amin được chuyển hóa trong chu trình axit tricarboxylic và nhanh chóng tích tụ trong động vật, vi khuẩn, vi tảo và thực vật để phản ứng với các căng thẳng khác nhau đến từ môi trường . Axit γ-aminobutyric có thể được sản xuất bằng cách tổng hợp chất hóa học giá thành thấp và dễ tiếp cận. Ngoài vai trò là một chất chuyển hóa, axit γ -aminobutyric là một phân tử tín hiệu tham gia vào quá trình điều chỉnh sự sinh trưởng và phát triển của thực vật. Điều thú vị là axit γ -aminobutyric có thể tăng cường sức đề kháng của thực vật đối với stress, loại bỏ các gốc tự do và điều chỉnh hoạt động chống oxy hóa. 

Phản ứng oxy (ROS) có mặt ở khắp nơi trong tất cả các sinh vật hiếu khí và đóng vai trò kép là các phân tử tín hiệu làm trung gian cho phản ứng stress và là chất oxy hóa mạnh có thể gây ra tổn thương oxy hóa tham gia vào quá trình hình thành và tổng hợp astaxanthin ở H. pluvialis. Ngược lại, bằng cách loại bỏ ROS, astaxanthin có thể hoạt động như một chất bảo vệ chống lại tổn thương do stress oxy hóa. Do đó, mục tiêu của nghiên cứu này là điều tra (i) ảnh hưởng của axit γ -aminobutyric lên sự tăng trưởng tế bào, sản xuất astaxanthin và tổng hợp lipid trong H. pluvialis dưới điều kiện cường độ ánh sáng và độ mặn cao; (ii) các phản ứng sinh tổng hợp carotenoid và lipid và (iii) sự trao đổi giữa axit γ -aminobutyric và phản ứng oxy trong quá trình cảm ứng tổng hợp astaxanthin và lipid ở H. pluvialis. Nghiên cứu đề xuất một cách tiếp cận mới để cải thiện việc sản xuất astaxanthin ở H. pluvialis và xác định cơ chế cơ bản của quy định tác dụng của axit γ -aminobutyric đối với sự phát triển tế bào, sản xuất astaxanthin, tổng hợp lipid và phản ứng chống chịu stress.

Tế bào tảo (H. pluvialis) được nuôi cấy 14 - 15 ngày với nồng độ sinh khối ban đầu là 0,35 g/L. Để điều tra tác động của axit γ -aminobutyric đối với sự phát triển của tế bào và sản xuất astaxanthin ở H. pluvialis, axit γ -aminobutyric đã được thêm vào môi trường nuôi tảo ở bốn nồng độ (0, 0,1, 0,25 và 0,5 mM) trong điều kiện ánh sáng cao và độ mặn (2 g/ L NaCl). Dung dịch nuôi cấy tảo được ly tâm để cô lập thu sinh khối, astaxanthin và tiến hành đánh giá các chỉ tiêu cần thiết.

Kết quả phân tích cho thấy sinh khối đạt mức cao nhất (1,65 g/L) được phát hiện khi bổ sung 0,25 mM axit γ -aminobutyric, cao hơn lần lượt 1,99 lần so với nhóm đối chứng (0,83 g/ L). Đặc biệt, H. pluvialis được xử lý với 0,25 mM axit γ -aminobutyric cho thấy hàm lượng astaxanthin cao nhất (30,44 mg/g), cao hơn so với đối chứng (14,30 mg/g). Tuy rằng căng thẳng do muối có thể kích thích sản sinh astaxanthin và tích tụ lipid ở vi tảo nhưng song song đó là stress do các phản ứng oxy (ROS) gây ra, mức ROS quá cao có thể gây ra tổn thương tế bào. Những kết quả này đã chứng minh rằng axit γ -aminobutyric đã cải thiện khả năng quang hợp và tăng khả năng chống chịu stress, do đó có thể thức đẩy hiệu quả của quá trình quang hợp bằng cách điều chỉnh quá trình vận chuyển điện tích và điều hòa sự oxy hóa gây ra bởi độ mặn để tăng cường sự phát triển của tảo làm tăng đáng kể hàm lượng astaxanthin và năng suất astaxanthin.

Nhìn chung, phân tích cấu trúc hóa học và di truyền chứng minh rằng axit γ -aminobutyric đóng vai trò quan trọng trong việc có thể đồng thời cải thiện tăng trưởng tạo điều kiện tăng sinh khối, nồng độ astaxanthin, sinh tổng hợp lipid trong H. pluvialis trong điều kiện chịu mặn bằng cách điều chỉnh mức độ biểu hiện của các gen liên quan, quá trình trung gian, hệ thống các phản ứng oxy và chống oxy hóa. 

Nghiên cứu này cung cấp một chiến lược kết hợp để thúc đẩy sự đồng sản xuất của astaxanthin và lipid, làm sáng tỏ cơ chế điều tiết thông qua axit γ -aminobutyric ảnh hưởng đến sự phát triển tế bào, sản xuất astaxanthin và sinh tổng hợp lipid ở H. pluvialis dưới điều kiện nuôi không thuận lợi cung cấp những ý tưởng mới để nâng cao sản xuất và có ý nghĩa thiết thực đối với việc thương mại hóa astaxanthin.

Báo cáo gốc: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124418.