Molecular phylogeny of fucoxanthin-chlorophyll a/c proteins from Chaetoceros gracilis and Lhcq/Lhcf diversity

Diatoms adapt to various aquatic light environments and play major roles in the global carbon cycle using their unique light-harvesting system, i.e., fucoxanthin chlorophyll a/c binding proteins (FCPs). Structural analyses of photosystem II (PSII)-FCPII and photosystem I (PSI)-FCPI complexes from the diatom Chaetoceros gracilis have revealed the localization and interactions of many FCPs; however, the entire set of FCPs has not been characterized. Here, we identified 46 FCPs in the newly assembled genome and transcriptome of C. gracilis. Phylogenetic analyses suggested that these FCPs could be classified into five subfamilies: Lhcr, Lhcf, Lhcx, Lhcz, and novel Lhcq, in addition to a distinct type of Lhcr, CgLhcr9. The FCPs in Lhcr, including CgLhcr9 and some Lhcqs, had orthologous proteins in other diatoms, particularly those found in the PSI-FCPI structure. By contrast, the Lhcf subfamily, some of which were found in the PSII-FCPII complex, seemed to be diversified in each diatom species, and the number of Lhcqs differed among species, indicating that their diversification may contribute to species-specific adaptations to light. Further phylogenetic analyses of FCPs/light-harvesting complex (LHC) proteins using genome data and assembled transcriptomes of other diatoms and microalgae in public databases suggest that our proposed classification of FCPs was common among various red-lineage algae derived from secondary endosymbiosis of red algae, including Haptophyta. These results provided insights into the loss and gain of FCP/LHC subfamilies during the evolutionary history of the red algal lineage.

Respon Pertumbuhan dan Konsentrasi Klorofil–a pada Kultur Mikroalga Chaetoceros gracilis terhadap Perbedaan Suhu Kultur

Microalgae Chaetoceros gracilis is widely used in aquaculture. Its culture highly depends on environmental factors, particularly temperature. This study aimed to examine the growth rate and its growth trend of C. gracilis, also chlorophyll-a concentration at different temperature. cultures were incubated at 25, 30 dan 340C for seven days using Na media with three replicates. Cell density was counted every day using a hemocytometer, whereas the concentration of chlorophyll-a was measured in spectrophotometry method. The differences in growth rates and chlorophyll-a concentration at different temperatures were statistically analyzed with One-Way ANOVA. The difference variables were further tested with the Tukey HSD test. The trend of the growth and duration of C. gracilis at 25 and 30 0C were similar, with the lag phase (three days), logarithmic (two days), stationary (one day), and declination (one day), in contrast at 34 0C that had lower duration and missed the stationary phase. The growth rates of microalgae C. gracilis was insignificantly differences at the temperature of 25 and 30 0C (0.7±0.05 cell/ml/day), but significantly lower at 340C (0.28±0.03 cell/ml/day). The chlorophyll-a concentrations at the temperature of 25 and 30 0C were not significantly different (0.37±0.05 and 0.39±0.03 mg/l), while the chlorophyll-a concentration at 34 0C was significantly lower (0.26±0.04 mg/l). This result indicates the high temperature (34 0C) inhibited the metabolism of C. gracilis as shown by doubling times that slower (2.5 day) than the temperature at 25 and 30 0C. It is concluded that the optimum temperatures for the C. gracilis were 25 and 30 0C, where as 340C was the inhibited temperature.

Fucoxanthin, A Xanthophyll from Macro- and Microalgae: Extraction Techniques, Bioactivities and Their Potential Application in Nutra- and Cosmeceutical Industries

Some works of literature reported that fucoxanthin has diverse potential benefits for human health. Thus, this review would explain the sources of fucoxanthin, extraction techniques, bioactivities, and its potential application in Nutra- and cosmeceutical industries. Brown algae, such as Padina australis, Undaria pinnatifida; and the microalgae, such as Chaetoceros gracilis, Phaeodactylum tricornutum were sources of fucoxanthin. Then, the chemical structure of this xanthophyll is unique and that confers its biological activities. And then, the extraction process of fucoxanthin from macro- and microalgae is more safe, accessible, and economic, although this xanthophyll can be synthesized chemically. Generally, there are two techniques for the extraction of fucoxanthin, namely liquid solvent (conventional), and supercritical carbon dioxide (non-conventional) extractions. Furthermore, there are some bioactivities of fucoxanthin, including its activities of anticancer, antidiabetic, antiobesity, antioxidant; protective effects of skin, bone, and eyes. Based on in vivo assay of the animal, it has no adverse effects of fucoxanthin supplementation. Therefore, this xanthophyll might be applied in both the Nutra- and cosmeceutical industries. In the future, fucoxanthin and its derivatives would be important for human health, contributing to the beauty industry, and playing an important in the prevention of cancer and the disease related to lifestyle.

High Productivity of Eicosapentaenoic Acid and Fucoxanthin by a Marine Diatom Chaetoceros gracilis in a Semi-Continuous Culture

Significantly high eicosapentaenoic acid (EPA) and fucoxanthin contents with high production rate were achieved in semi continuous culture of marine diatom. Effects of dilution rate on the production of biomass and high value biocompounds such as EPA and fucoxanthin were evaluated in semi-continuous cultures of Chaetoceros gracilis under high light condition. Cellular dry weight increased at lower dilution rate and higher light intensity conditions, and cell size strongly affected EPA and fucoxanthin contents. The smaller microalgae cells showed significantly higher (p < 0.05) value of 17.1 mg g-dw–1 fucoxanthin and 41.5% EPA content per total fatty acid compared to those observed in the larger cells. Chaetoceros gracilis can accumulate relatively higher EPA and fucoxanthin than those reported previously. In addition, maintenance of small cell size by supplying sufficient nutrients and light energy can be the key for the increase production of valuable biocompounds in C. gracilis.

Atividade anti-micotoxina in vitro de probiótico (Bacillus spp) e microalgas (Chaetoceros gracilis) para aflatoxina B1 e ocratoxina A usados na alimentação do Litopenaeus vannamei

Objetivos: O objetivo deste trabalho foi avaliar in vitro a capacidade anti-micotoxina de dois probióticos comerciais constituído de esporos de Bacillus spp – A1 e A2 e da microalga Chaetoceros gracilis – A3 utilizados na alimentação de Litopenaeus vannamei para aflatoxina B1 (AFB1) e ocratoxina A (OTA). A quantidade de probiótico foi calculada para 10 L de água. A quantidade da microalga Chaetoceros gracilis foi calculada de acordo com a quantidade utilizada nas fazendas (12 x 104 células/mL). Foi preparado um grupo com cinco microtubos de cada probiótico com pH 2,0 e um outro grupo com pH 6,0 utilizando solução tampão fostato salino (PBS) em duplicata para simular o pH estomacal e intestinal dos camarões, respectivamente. As concentrações de probióticos utilizadas foram 0,0%; 25%; 50%; 75% e 100% (0,0025 g; 0,005 g; 0,0075 g; 0,010 g) em cada tubo. As concentrações da microalga foram as mesmas do probiótico. A concentração das micotoxinas foi 1.000 ng/mL. A atividade anti-micotoxina do A1, A2 e A3 para OTA e AFB1 foram realizados por cromatografia líquida de alta eficiência. Houve diferença na capacidade anti-micotoxina entre os probióticos testados para OTA e AFB1 com maior eficiência do A2. O A3 não apresentou atividade anti-micotoxina. Em A1 e A2 a adsorção de OTA e AFB1 iniciou a partir da concentração 25%. Metade da OTA (513 ng/mL) foi adsorvida utilizando o A2 (concentrações ≥ 50%) em pH 2,0 e no A1 (concentrações ≥75%) no mesmo pH (400 ng/mL). Para AFB1 a maior adsorção ocorreu no A2 (concentrações ≥75%) em pH 2,0 (643 ng/mL) e pH 6,0 (672 ng/mL). O maior efeito anti-micotoxina do A1 só ocorreu (concentrações ≥ 50%) em pH 2,0 (481 ng/mL) e 25% em pH 6,0 (592 ng/mL). Os probióticos constituídos por esporos de Bacillus spp possuem capacidade anti-micotoxina in vitro para AFB1 e OTA e a microalga Chaetoceros gracilis não apresentou esta capacidade.

Isoprostanoid Profiling of Marine Microalgae

Algae result from a complex evolutionary history that shapes their metabolic network. For example, these organisms can synthesize different polyunsaturated fatty acids, such as those found in land plants and oily fish. Due to the presence of numerous double-bonds, such molecules can be oxidized nonenzymatically, and this results in the biosynthesis of high-value bioactive metabolites named isoprostanoids. So far, there have been only a few studies reporting isoprostanoid productions in algae. To fill this gap, the current investigation aimed at profiling isoprostanoids by liquid chromatography -mass spectrometry/mass spectrometry (LC-MS/MS) in four marine microalgae. A good correlation was observed between the most abundant polyunsaturated fatty acids (PUFAs) produced by the investigated microalgal species and their isoprostanoid profiles. No significant variations in the content of oxidized derivatives were observed for Rhodomonas salina and Chaetoceros gracilis under copper stress, whereas increases in the production of C18-, C20- and C22-derived isoprostanoids were monitored in Tisochrysis lutea and Phaeodactylum tricornutum. In the presence of hydrogen peroxide, no significant changes were observed for C. gracilis and for T. lutea, while variations were monitored for the other two algae. This study paves the way to further studying the physiological roles of isoprostanoids in marine microalgae and exploring these organisms as bioresources for isoprostanoid production.

Μελέτη των αντιβιοεπιστρωτικών ιδιοτήτων δευτερογενών μεταβολιτών από θαλάσσιους οργανισμούς

Το θέμα της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των αντιβιοεπιστρωτικών ιδιοτήτων χημικών ενώσεων που έχουν απομονωθεί και ταυτοποιηθεί από θαλάσσιους οργανισμούς, καθώς και η ανάλυση της τοξικότητας αυτών των χημικών ενώσεων σε οργανισμούς που δεν προκαλούν βιοεπίστρωση αλλά και σε καλλιέργειες κυτταρικών σειρών ψαριών και ανθρώπου. Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι ο εντοπισμός μιας ή περισσότερων χημικών ενώσεων που θα έχουν αντιβιοεπιστρωτική δράση ενάντια σε θαλάσσιους οργανισμούς που προκαλούν βιοεπίστρωση, αλλά και ταυτόχρονα θα εμφανίζουν και οικοτοξικό προφίλ συμβατό με τις σύγχρονες απαιτήσεις για χρήση φιλικών προς το περιβάλλον χημικών ενώσεων προς εμπορική αξιοποίηση. Παράλληλα έγιναν δοκιμές στο πεδίο ενώ στη συνέχεια μελετήθηκε η συμπεριφορά των κυπρίδων του θυσανόποδου A. amphitrite παρουσία χημικών ενώσεων, αφού πρώτα αποδείχθηκε στις πειραματικές δοκιμές η αντιβιοεπιστρωτική τους δράση. Με τον όρο θαλάσσια βιοεπίστρωση αναφερόμαστε στην μη θεμιτή αποίκιση των υποθαλάσσιων τεχνιτών επιφανειών από μικρο- και μακρο-οργανισμούς. Την κυριότερη επίδραση αυτού του φαινομένου την εντοπίζουμε κυρίως στα ύφαλα των πλοίων, των οποίων η ταχύτητα αλλά και η κατανάλωση καυσίμων επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από την παρουσία βιοεπίστρωσης. Μια άλλη σημαντική παράμετρος της βιοεπίστρωσης προκύπτει από το γεγονός ότι οι θαλάσσιες μεταφορές προκαλούν σημαντικές οικονομικές και περιβαλλοντικές επιδράσεις καθώς τα πλοία που φέρουν βιοεπίστρωση ταξιδεύοντας σε παγκόσμιες εμπορικές οδούς μεταφέρουν τους θαλάσσιους οργανισμούς από ένα σημείο της Γης σε κάποιο άλλο. Η βιοεπίστρωση επηρεάζει και άλλες θαλάσσιες βιομηχανίες, όπως τις υδατοκαλλιέργειες, τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου, τα πάρκα αιολικής ενέργειας αλλά και τα επιβατηγά πλοία. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες δουλεύουν πολύ δυναμικά πάνω σε αυτό το θέμα προσπαθώντας να εφεύρουν νέες αντιβιοεπιστρωτικές μεθόδους οι οποίες θα πρέπει να είναι φιλικές προς το περιβάλλον. Η παρούσα μελέτη εστιάζεται στην εύρεση μιας (ή περισσότερων) φιλικής προς το περιβάλλον χημικής ένωσης, εναλλακτικής από αυτές που ήδη υπάρχουν, με προέλευση το θαλάσσιο φυσικό περιβάλλον. Για την ολοκλήρωση της πειραματικής έρευνας ακολουθήθηκε μια αυστηρή διαδικασία ελέγχου και απόρριψης δευτερογενών μεταβολιτών ως προς την ικανότητά τους να αποτρέπουν την εγκατάσταση κυπρίδων του Θυσανόποδου, Amphibalanus amphitrite. Τα Θυσανόποδα είναι εδραίοι ασπόνδυλοι οργανισμοί που θεωρούνται ως οι κύριοι παράγοντες πρόκλησης της σκληρής βιοεπίστρωσης. Οι δευτερογενείς μεταβολίτες απομονώθηκαν από είδη ροδοφυκών του γένους Laurencia, αλλά και Μαλάκια του γένους Aplysia, τα οποία είναι γνωστό ότι τρέφονται με ροδοφύκη του γένους Laurencia. Ως χημική ένωση αναφοράς αλλά και ως κριτήριο δραστικότητας χρησιμοποιήθηκε η χημική ένωση βρωμοσφαιρόλη, η οποία απομονώθηκε από το ροδοφύκος, Sphaerococcus coronopifolius, και η οποία έχει δειχθεί στο παρελθόν ότι έχει ισχυρή αντιβιοεπιστρωτική δράση ενάντια σε κυπρίδες του είδους Amphibalanus amphitrite. Από τους 25 δευτερογενείς μεταβολίτες που αναλύθηκαν ως προς τις αντιβιοεπιστρωτικές τους ιδιότητες, 8 προκρίθηκαν και ελέγχθηκαν ως προς την τοξικότητα τους στο Καρκινοειδές, Artemia sp., και απορρίφθηκαν 2, 6 δευτερογενείς μεταβολίτες ελέγχθηκαν ως προς την τοξικότητα τους στο διάτομο Chaetoceros gracilis, και απορρίφθηκαν 3, και τελικά, 3 δευτερογενείς μεταβολίτες ελέγχθηκαν σε πειράματα κυτταροτοξικότητας σε 2 κυτταρικές σειρές: Μια κυτταρική σειρά του ήπατος πέστροφας (RTL-W1) και μια κυτταρική σειρά επιθηλιακών κυττάρων του ανθρώπου (HEK293). Συνθέτοντας τα συνολικά αποτελέσματα των πειραματικών προσεγγίσεων προτείνεται ότι η χημική ένωση, περφορενόλη (perforenol), ένα σεσκιτερπένιο που απομονώθηκε από είδη Ροδοφυκών του γένους Laurencia, εμφανίζει ίση αντιβιοεπιστρωτική δράση αλλά σχετικά καλύτερο οικοτοξικό προφίλ από τη βρωμοσφαιρόλη. Τέλος, και οι δύο αυτοί δευτερογενείς μεταβολίτες δεν προκαλούν αλλαγές στη συμπεριφορά εγκατάστασης των κυπρίδων του είδους Amphibalanus amphitrite όπως προκύπτει από πειράματα ανοσοαποτυπώματος κατά Western για την πρωτεΐνη SIPC που εναποθέτουν οι κυπρίδες κατά τη διάρκεια εξερεύνησης του υποστρώματος όπου θα εγκατασταθούν. Συμπεραίνεται ότι η περφορενόλη είναι μια αρκετά δραστική χημική ένωση ενάντια στη βιοεπίστρωση που προκαλείται από τα Θυσανόποδα και αξίζει περαιτέρω διερεύνησή της συμπεριφοράς της ως αντιβιοεπιστρωτικό παράγοντα σε υφαλοχρώματα.