Морская биотехнология – это наука, об использовании морских организмов полностью или частично для производства или модификации веществ, которые улучшают состояние флоры и фауны. Разработки в сфере изучения биологически активных веществ, выделяемых из аквабионтов, имеют огромный успех, поскольку большое число извлекаемых соединений проявляют фармакологическую активность.
Актуальностью нашей темы является тот факт, что в ходе развития фармацевтической индустрии появляется возможность извлекать всё большее количество активных соединений, интересующих исследователей в плане разработок. В настоящее время объектами повышенного внимания являются брюхоногие моллюски, лучепёрые рыбы, кораллы, морские звёзды, лахтаки, личиночнохордовые и мшанки. При изучении различных видов кальмаров была получена информация о передаче нервных импульсов с помощью гигантских аксонов. Моллюски – отличная модель для изучения клеточного цикла и его регуляции, а морской еж – пример для понимания молекулярных основ клеточного размножения и развития.
Целью нашего исследования является освещение некоторых разработок и открытий в области морской биотехнологии с особым упором на биомедицинский потенциал морской флоры и фауны.
Материалы и методы исследования
Объектами настоящего исследования являлись морские обитатели, в частности: цианобактерии двух отделов Cyanophyta (сине-зеленые водоросли) и Pyrrophyta (динофлагелляты), морские водоросли видов Gelidium, одного вида Gracilaria- / Gracilariopsis, морские губки родов Haliclona, Petrosia и Discodemia. Исследование проводилось с помощью поисково-информационных (eLibrary, PubMed, CyberLeninka, ResearchGate) и библиотечных баз данных.
Результаты исследования и их обсуждение
Благодаря легкому доступу наземные растения служат основным источником полезных веществ для медицины, в особенности для народной. Значительными достоинствами акваторий являются: диапазон давлений (1–1000 атм), диапазон питательных веществ (от олиготрофных до автотрофных) а также огромный разброс в плане температур вод. Это разнообразие способствовало обширному видообразованию на всех филогенетических уровнях, от микроорганизмов до млекопитающих. Несмотря на то, что биоразнообразие в морской среде намного превышает биоразнообразие в наземной среде, исследования по использованию морских обитателей в качестве фармацевтического сырья всё ещё находятся в зачаточном состоянии. Но с развитием новых технологий и оборудования стало возможным собирать образцы морских организмов. При стандартном способе изучения биологически активных веществ в первую очередь исследуемое соединение извлекается из источника в виде суммы БАВ, затем подвергается ряду лабораторных проб, в ходе которых устанавливается биологическая мишень для данного вещества, далее оно подвергается процедуре биологического выделения, фракционирования и очищения, давая по существу одно биологически активное соединение. Несмотря на широкое использование данного метода исследования, оно является трудоемким, медленным, обладает маленькой эффективностью и не дает никаких гарантий успеха. В настоящее время обнаружение природных биологически активных веществ очень востребовано, для этого необходим быстрый скрининг, идентификация и ускоренные процессы разработки технологий. Всё это является обязательным для изучения новых подходов обнаружения лекарств [1].
Природа была источником лекарственных средств на протяжении тысячелетий, и из микроорганизмов было выделено большое количество современных лекарств, многие из которых основаны на их использовании в народной медицине. В прошлом веке большое внимание было уделено микроорганизмам, выступавшим в роли субстанций в производстве антибиотиков и других лекарств для лечения некоторых серьезных заболеваний. Несмотря на успехи в открытии лекарств против различных микроорганизмов, морским обитателям уделяется очень мало внимания. Трудность в поиске метаболитов у морских бактерий в основном связана с отсутствием их культур. Выделена необычная грамположительная бактерия из глубоководных отложений, которая произвела серию новых биологических метаболитов, макролактин A – F беспрецедентного линейного происхождения ацетогена C24 [2]. В ходе исследований влияния макролактина А на вирус простого герпеса млекопитающих (типа I и II) было выявлено, что метаболит, подавляя клетки мышиной меланомы B16-F10 в анализах in vitro, тем самым защищает Т-лимфоциты от репликации вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) [3].
Исследуя морских микробов, а в частности Alteromonas spp., ученые поставили задачу разработки микробного метаболита, ингибитора обратной транскриптазы, обладающего анти-ВИЧ-потенциалом. В качестве сырья в водах Бермудского архипелага была выловлена морская губка. Источником внеклеточных протеаз, а также коллагеназ оказался род бактерий Vibrio, в особенности Vibrio alginolyticus, которая производит неспецифически устойчивую к поверхностно активным веществам щелочную сериновую экзопротеазу [4]. Данные ферменты в настоящее время различным способом используются в промышленности, к примеру в исследованиях культуры ткани [5]. Морскими животными вырабатывается ряд ядов нейропаралитического действия, в число которых входит сакситоксин, сигуатоксины, тетродотоксин и бреветоксины, эти биомолекулы специфические блокаторы натриевых каналов. Информация, полученная в данных исследованиях, легла в основу разработки потенциал-управляемых натриевых каналов [6]. Эти токсины полезны в нейрофизиологических и нейрофармакологических исследованиях, и морские бактерии могут быть важным источником этих ценных молекул.
Цианобактерии являются одним из самых богатых источников известных и новых биоактивных соединений, которые применяются в фармации. Из пяти отделов микроводорослей исследования источников биологически активных веществ внимание было сосредоточено только на двух отделах: Cyanophyta (сине-зеленые водоросли) и Pyrrophyta (динофлагелляты). Lyngbyatoxin-A и debromoaplysiatoxin – два структурно различных метаболита, выделенных из токсических штаммов Lyngbya mausculata [7], и анатоксина-a из Anabaena ciecinalis [8]. Некоторые из морских цианобактерий, по-видимому, являются потенциальными источниками для крупномасштабного производства витаминов, представляющих коммерческий интерес, таких как витамины группы B-комплекса и витамин-E. Метаболиты, выделенные из Lyngbya lagerhaimanii и Phormidium tenue, вызывают апоптоз раковых клеток, либо активируют члены сигнальных ферментов протеинкиназы-С, тем самым проявляют антиканцерогенную активность [8]. Известным источником фузаперазинов A и B, а также серосодержащих производных диоксопиперазина, ранее получаемых ферментацией грибом, Tolypocladium spp., на сегодняшний день является Fusarium chlamydosporum культивируемый из японской морской водоросли Carpopeltis affinis [9]. Четыре новых эпиполисульфанилдиоксопиперазина были выделены из культуры гриба Leptosphaeria spp., получаемой из японской бурой водоросли саргассум [8]. Культуры морского гриба Hypoxylon oceanicum из мангрового дерева в Шензене, Китай, производят макроциклические сложные полиэфиры и линейные сложные полиэфиры [10]. Из Lyngbya majusculata был выделен иммуносупрессивный линейный пептид microcolin-A, который при наномолярных концентрациях подавляет двустороннюю реакцию мышиных смешанных лимфоцитов [11]. Ряд известных антибиотиков был выделен из дианофлагеллят, противогрибковых препаратов из Gambierdiscus toxicus. Поскольку он деполяризует возбудимые мембраны и его сайты связывания на натриевом канале, механизм, по-видимому, отличается от механизма других активаторов [12].
В данной работе мы рассмотрели бурые водоросли, трех видов Gelidium, одного вида Gracilaria- / Gracilariopsis. Красная водоросль Sphaerococcus coronopifolius обладает антибактериальной активностью [5]; зеленая водоросль Ulva lactuca обладает противовоспалительным действием; и противоопухолевое соединение было выделено из Portieria hornemannii [13]. Ulva Fasciata выделяет производное сфингозина, которое, как было обнаружено, обладает противовирусной активностью in vivo [14]. Цитотоксический метаболит, стиполдион, который ингибирует полимеризацию микротрубочек и тем самым предотвращает образование митотического веретена, был выделен из тропической бурой водоросли Stypodium zonale [15]. Йодированный новый нуклеозид был выделен из Hypnea valitiae, который является мощным и специфическим ингибитором аденозинкиназы. Он может быть использован в исследованиях аденозиновых рецепторов в различных системах, а также в исследованиях метаболизма и регуляции нуклеотидов [16]. Существует много водорослей, способных превращать простые полиненасыщенные жирные кислоты, такие как арахидоновые кислоты, в сложные эйкозаноиды и родственные оксилипины. Производные арахидоновой кислоты играют важную роль в поддержании гомеостаза в системах млекопитающих, в частности в синтезе циклических эндопероксидов, которые являются предшественниками тромбоксана А2 и участвуют в тромбообразовании, аберрантная продукция метаболитов этого класса происходит при таких заболеваниях, как псориаз, астма, артериосклероз, болезни сердца, язвы и рак [3].
Источником биологически активных соединений, обладающих антиканцерогенной и противовоспалительной активностью, является род губок: демоспонги (Haliclona sp.), гигантские губки (Petrosia ficiformis) и чашеобразные губки (Discodermia calyx), к сожалению культивирование данных видов в настоящий момент затруднено. Губки в качестве сырья, изучаемого на наличие биологически активных веществ, стали изучаться после выделения, ингибирующего опухоль арабинозильного нуклеозида – спонгуридина, извлечённого из губки Cryptotethia crypta. Цитозин-арабинозид, включается в клеточную ДНК, где он ингибирует ДНК-полимеразу только после превращения в арабинозид цитозин трифосфат. Предоставленное исследование используется в клинической практике лечения неходжкинской лимфомы и острого миелоцитарного лейкоза [17]. Глубоководная губка Dercitus spp. обладает цитотоксической активностью в диапазоне низких наномолярных концентраций, полученный из неё аминоакридиновый алкалоид – дерцитин, активен в отношении клеток меланомы В16 и мелкоклеточной карциномы легких Льюиса, продлевает жизнь мышей с асцитными опухолями [18]. Лембехины B и C обладают нейрогенной активностью в отношении клеток нейробластомы, их получают из индонезийского вида демоспонгов Haliclona. Полиэфирный макролид Галихондрин-B экскретированный из японской губки Theonella spp., потенциальный противораковый агент [19]. Морские губки Mycale spp. и Theonella spp., собранные в Новой Зеландии и Окинаве соответственно, являются источниками микаламида-А и оннамида-А, структурно связанных с теопедеринами. Во многих модельных системах лейкемии и опухолей демонстрируют цитотоксичность in vitro и противоопухолевую активность in vivo. Caminoside-A – антимикробный гликолипид вида Caminus sphaeroconia, собранного в Доминиканской республике, ингибитор бактериальной системы секреции типа III [20]. Открытие простагландина в кораллах в конце 1960-х гг. во многом способствовало быстрому развитию в области морского лекарственного сырья [3]. Палитоксин, один из наиболее известных и серьёзных токсинов, является продуктом вида Palythoa семейства Zoanthidae. Это соединение полезно для исследования процессов распознавания клеток, так как оно стимулирует метаболизм арахидоновой кислоты и подавляет реакцию на эпидермальный фактор роста, активируя натриевую помпу в пути передачи сигнала, используя натрий в качестве второго мессенджера [9]. Фракционирование экстрактов, полученных из мягких кораллов, Lobophytum crassum, показало, что керамиды являются умеренно антибактериальным компонентом [21]. При поиске более безопасного противовоспалительного и анальгетического аналога, равного по фармакологической активности индометоцину, был получен трициклический дитерпенпентозид – псевдопетроцин-Е, источником которого является горгония рода Pseudopterogorgia [3].
Кораллы Lemnalia flava, собранные в водах Момбаса и Кении, стали первыми представителями в исследованиях лемнафлавозида и три моноацетатных производных. Выделенный из Clavularia viridis клавубициклон в отношении линий опухолевых клеток MCF-7 и OVCAR-3, проявляет умеренную цитотоксичность [22]. Дитерпен – цеспитуларин A-D, нордитерпен – цеспитуларин E и три дитерпена – цеспитуларин F H, с новым скелетом были получены биоаналитическим фракционированием мягкого коралла Cespitularia hypotentaculata [23]. Переменная активность и селективность наблюдались для восьми соединений в отношении опухолевых клеточных линий A-549, HT-29 и P388. Два новых дитерпеноида типа долабеллана, а также известный дитерпен клавенон были выделены из видов Clavularia. Было обнаружено, что искусственная культура Erythropodium caribaeorum продуцирует ряд дитерпенов, включая антимитотические агенты элеутеробин и аквариолид-А. Экстракты из Pseudopterogorgia elizabethae, содержащие псевдоптерозины и Eunicea fusca, содержащие фукозид-A, могут быть использованы в косметической промышленности.
Большинство добываемых веществ из мшанок являются алкалоидами. Морской мшанок Amathia convoluta, собранный с восточного побережья Тасмании, был источником трибромированных алкалоидов convolutamine-H и convolutindole-A. Соединения проявляли сильную селективную активность против Haemonchus contortus, паразитической нематоды жвачных животных. Источником бриоантратиофена были водоросли субторквата с острова Цуцуми, Япония [24]. Это соединение проявляло сильную антиангиогенную активность в отношении пролиферации эндотелиальных клеток бычьей аорты (BAEC). Асимметричный синтез аматамида A и B, алкалоидов из мшанок Amathia wilsoni, собранных в Тасмании, был выполнен, начиная с 3-гидроксибензальдегида. Bryostatin трансформирует фермент сигнальной трансдукции протеинкиназы-С, демонстрирует избирательность в отношении линий клеток лейкемии, меланомы, рака почки и немелкоклеточного рака легкого. Данное соединение, проявляющее противораковую активность, выделяют из Bugula neritina. В процессе изучения Anthia convoluta в отношении in vitro цитотоксичности клеток мышиного лейкоза L1210 и клеток эпидермоидной карциномы человека KB, был выделен активный метаболит – конволютамид-А. Фундаментальные исследования Cribricellina cribreria позволили изолировать проявляющий цитотоксическую, антибактериальную, противогрибковую и противовирусную активность алкалоид β-карболина. Индольные алкалоиды, выделенные из Flustra foliacea, показали сильную антимикробную активность [25].
Заключение
Полученные результаты анализа литературных данных позволяют сделать вывод о том, что морские обитатели, в том числе полученные из них метаболиты и другие ресурсы в живой или мертвой форме, являются перспективными источниками для получения лекарственных веществ. Мировой океан является относительно незатронутым источником биологически активных веществ, которые могут применяться в фармацевтической промышленности. Исследования морской среды и биологический анализ, а также совершенствование технологий, по извлечению и культивирования морских микроорганизмов вносят огромный вклад в использование биоразнообразия подводного мира. Изученные нами виды представляют огромный интерес в сфере биохимических исследований и доклинических испытаний. Основное внимание уделяется разработке лекарств активных против вируса иммунодефицита человека и онкозаболеваний, в качестве биологических моделей по выделению биологически активных веществ выступают брюхоногие моллюски, личиночно-хордовые, мшанки и лахтаки. В ходе освоения моря проблемы, связанные со снабжением, технической поддержкой, доступом к биоразнообразию и фармацевтическому рынку, должны быть тщательно рассмотрены и устранены. Морские ресурсы со всеми их аспектами, несомненно, представляют собой огромный экономический потенциал для всего мира и представляют собой сектор, который может обеспечить устойчивый и всесторонний рост.