Ondernemers in de aquacultuursector hebben een probleem:het is nog steeds erg moeilijk om alle waardevolle moleculen uit zeewier- en algencellen te extraheren. Maar mariene enzymen en magneten maken het nu gemakkelijker om kostbare moleculen te verwijderen en kunnen zelfs microalgen veranderen in magnetisch geleide 'voertuigen' voor gerichte medicijnafgifte.

Algencellen bevatten allerlei nuttige stoffen, zoals omega's die worden gebruikt in voedingssupplementen, eiwitten, anti-oxidanten voor schoonheidsproducten, en organische chemicaliën die worden gebruikt om biologisch afbreekbare alternatieven voor plastic te maken.

Helaas, meer dan de helft van de stoffen in zeewier kan niet worden geoogst.

'Het probleem met het industriële proces om alginaat te extraheren (een soort zuur dat voorkomt in zeewier dat in geneesmiddelen wordt gebruikt) is dat 60% van de biomassa nergens anders voor kan worden gebruikt. ' zei Dr. Kévin Cascella, een moleculair marien bioloog en projectmanager voor een project genaamd GENIALG.

Het project maakt gebruik van mariene enzymen om ervoor te zorgen dat alle nuttige moleculen die in algencellen worden gevonden, kunnen worden geëxtraheerd voor industrieel gebruik.

Als resultaat van de vooruitgang die is geboekt in de volgende generatie sequencing en volledige genoomanalyse van bacteriën die op zeewier leven, GENIALG dacht dat er relevante methoden ontwikkeld konden worden om de hardnekkige zeewiercelwand te overwinnen.

Ze begonnen met het selectief kweken van zeewier voor hogere groeisnelheden en een betere opbrengst, net zoals boeren van oudsher vee fokken voor de beste melk, maar met een extra dimensie. Door gebruik te maken van genetische analysetechnieken, het team identificeert de regio's van het genoom die verband houden met specifieke eigenschappen. Dit kan het lipidengehalte van een zeewiercel zijn, bijvoorbeeld. Lipiden zijn vooral interessant voor nutraceuticals, de voedingssupplementenindustrie.

Vervolgens keken de onderzoekers hoe ze de fysische en biochemische extractie van biomoleculen konden verbeteren.

Huidige industriële processen omvatten het uit elkaar halen van zeewiercellen door malen of persen. Op deze manier, de cellen ondergaan een fractioneringsproces om de vloeibare celinhoud van de vaste delen te scheiden. Volgende, de verbindingen worden verwijderd met enzymen, die fungeren als biologische schaar, doorbreken van de celwand op bepaalde plaatsen. Specifieke enzymen worden gebruikt om bepaalde waardevolle biomoleculen te genereren en vrij te geven.

Mariene enzymen

GENIALG's onderzoekers in het Roscoff Biological Station, Frankrijk, de afgelopen 20 jaar hebben gewerkt aan mariene enzymen, en ze denken dat ze een aantal bacteriële enzymen hebben gevonden die hogere opbrengsten kunnen opleveren dan de commerciële.

'Door de verschillende soorten enzymcombinaties kan de celwand van zeewier worden afgebroken, ' zei dr. Cascella, eraan toevoegend dat deze combinaties verschillende soorten moleculen genereren. Het team test de nieuwe moleculen om te zien wat ze doen en of ze nuttig kunnen zijn in medische of andere toepassingen.

Het team heeft twee proeffabrieken voor bioraffinage en bouwt een biobank, waar wetenschappers en het grote publiek soorten zeewier op verschillende punten in hun levenscyclus kunnen bestuderen. Volgens Dr. Cascella, ze hebben al een bepaalde stof gevonden die kankercellen kan aantasten, die ze momenteel nader onderzoeken.

Enzymen zijn niet het enige middel om die gewilde verbindingen te oogsten. Een andere methode die door andere wetenschappers wordt onderzocht, is het gebruik van magneten.

Om microalgen te laten groeien, fotosynthese en produceren de biomoleculen gewaardeerd door verschillende industrieën, ze moeten in water worden opgehangen en ze hebben toegang tot een lichtbron. Maar licht reist niet op een uniforme manier door water, en microalgencellen bewegen vrij rond.

Het VALUEMAG-project dacht dat magneten de microalgencellen consequent dicht bij een lichtbron konden houden, zodat ze met de maximale snelheid zouden fotosynthetiseren. Ze plaatsen minuscule ijzeren nanodeeltjes in microalgencellen om ze te 'magnetiseren', met behulp van een nieuw apparaat ontwikkeld door het project. De cellen worden vervolgens verspreid over een kegel met een magnetisch oppervlak en gevoed met een constante stroom water en licht. Dit zorgt ervoor dat ze zoveel mogelijk biomoleculen produceren.

Magneten

Wanneer het tijd is om die nuttige biomoleculen te oogsten, magneten worden opnieuw gebruikt.

Het team gebruikt eerst een proces genaamd 'superkritische CO ₂ extractie' om de microalgencellen te breken.

Als de cellen uit elkaar vallen, de onderzoekers houden een oplossing van microalgenextracten en nanodeeltjes over. Om de moleculen te verwijderen die ze willen, zoals eiwitten of lipiden, het project maakt gebruik van een nieuwe techniek die ze ontwikkelden genaamd 'selectieve magnetische scheiding', zegt professor Evangelos Hristoforou, de directeur van het Laboratorium voor Elektronische Sensoren aan de Nationale Technische Universiteit van Athene, Griekenland, en de projectcoördinator van VALUEMAG.

De methode omvat het bedekken van de nanodeeltjes met liganden - kleine moleculen die binden aan andere moleculen, als een soort biochemisch klittenband. Het ligand wordt specifiek aangetrokken door één bepaald doelmolecuul en zal dus het betreffende molecuul 'vangen'. Omdat het nanodeeltje gemagnetiseerd is, door het mengsel aan een magneet bloot te stellen, kunnen zowel het gevangen molecuul als het ligand en het nanodeeltje uit het mengsel worden getrokken. Een laatste stap scheidt het ligand en het nanodeeltje, en het molecuul komt vrij.

Omdat de twee methoden geen chemicaliën vereisen, de extracten zijn veilig om te eten of te gebruiken in cosmetica.

Het onderzoek van VALUEMAG heeft ook potentiële biomedische toepassingen. De wetenschappers ontdekten dat gemagnetiseerde microalgencellen menselijke stamcellen zouden kunnen vervangen die worden gebruikt om medicijnen te leveren.

celtherapie

Momenteel, menselijke stamcellen worden geïnjecteerd met medicijnen die door het lichaam worden geleid en op een bepaald punt worden vrijgegeven. De techniek heet celtherapie, maar het probleem hiermee is dat menselijke stamcellen door het lichaam kunnen worden afgestoten of erger, kanker worden.

Microalgen hebben dit soort problemen niet.

Microalgencellen kunnen worden geïnjecteerd met ijzeren nanodeeltjes en het medicijn dat in het lichaam moet worden vrijgegeven. De cellen kunnen vervolgens door een arts met behulp van magneten naar de juiste plaats in het lichaam worden geleid, bijvoorbeeld geneesmiddelen om leverkanker aan te pakken moeten dicht bij de lever worden vrijgegeven.

'Ze kunnen niet in ons lichaam groeien omdat het geen menselijke cellen zijn, ' zei dr. Angelo Ferraro, hoofdbioloog voor VALUEMAG. 'En ze zijn minder immunogeen, zodat ze kunnen worden gebruikt als vehikel voor klinische therapieën.'