Железнова С.Н., Геворгиз Р.Г.

Svetlana N. Zheleznova, Ruslan G. Gevorgiz

ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О.Ковалевского РАН»
(Севастополь, Россия)

УДК 579:582.26

Облучённость 120 μE m⁻² s⁻¹ синим светом оптически плотной культуры (3 г сухой массы на литр) позволило увеличить скорость биосинтеза фукоксантина и липидов в клетках диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium при цикле 6 : 18 ч синий: белый свет. Концентрация фукоксантина достигла 23 мг/г сухой массы водорослей, в пересчёте на литр культуры 69 мг/л. Максимальная скорость накопления фукоксантина в клетках составила 4 мг/(г*сут) или соответственно в культуре – 12 мг/(л*сут). Скорость накопления фукоксантина была неравномерной, поэтому по-прежнему остается вопрос получения фукоксантина в проточной культуре C. сlosterium. Отмечена линейная зависимость между концентрацией фукоксантина в клетках и суммарных липидов.

Ключевые слова: диатомеи; Cylindrotheca closterium; синий свет; фукоксантин

Большинство бентосных диатомовых водорослей обитают в неблагоприятных условиях при низких температурах и низкой освещенности, где в основном преобладает синяя область спектра (освещенность со спектральным составом от 420-520 нм. (Wang et al., 2019) в результате чего они приобрели способность в больших количествах накапливать биологически активные соединения такие как ПНЖК (Almeyda et al., 2020), каротиноиды, включая фукоксантин и др.

Многие медицинские исследования показали уникальные свойства фукоксантина. Было показано, что фукокснатин обладает противоопухолевой активностью, подавляет рост клеток лейкоза человека, рака простаты и молочной железы (Ahmed et al., 2022), способствует активному уменьшению массы тела путем расщепления жиров (Guan et al., 2022), снижает уровень холестерина и глюкозы в крови (Guan et al., 2022). Поэтому диатомеи, как возобновляемый источник фукоксантина, все в большей мере привлекает внимание биотехнологов. Поскольку фукоксантин выполняет защитную функцию в работах было установлено, что синий свет способствует накоплению фукоксантина, а красный и белый – росту и продуктивности (Palanisamy et al., 2022). Для получения ценных полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК) и фукоксантина в промышленных масштабах одним из наиболее перспективных объектов культивирования является Cylindrotheca closterium. Обусловлено это тем, что C. closterium обладает достаточно высокими продукционными показателями (Геворгиз 2016; Железнова2019), способна накапливает фукоксантин до 2,3–2,6% от сухой массы (Zheleznova et al., 2017), а также характеризуется высоким (до 10% от сухой массы) содержанием ПНЖК в биомассе. 

Цель работы – исследовать влияние синего света на скорость биосинтеза фукоксантина Cylindrotheca closterium в оптически плотной культуре (3 г сухой биомассы на литр).

В работе использовали культуру бентосной диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (EhrenbERG) Reimann et Lewin из коллекции культур ИнБЮМ. Культуру C. сlosterium выращивали на питательной среде RS, все компоненты которой увеличены в 3 раза (Железнова, 2015), при постоянной температуре суспензии 20±1^○С, в режиме накопительного культивирования в фотобиореакторах плоскопараллельного типа с рабочим объёмом 2 л, слоем 5 см, при освещении белыми и синими светодиодными   лампами при цикле 18:6 белый:синий свет. Средняя облучённость рабочей поверхности фотобиореактора составляла 150 μE m⁻² s⁻¹ (33 Вт*м^–2). В процессе выращивания культуру барботировали воздухом (1,1 л воздуха на 1 л культуры в минуту) посредством компрессорной установки. Для увеличения растворимости атмосферного СО₂ в культуральной среде использовали насадку-диспергатор. Плотность культуры в начале накопительного культивирования составляла 0,1–0,2 г сухого вещества на 1 л. Для стимуляции биосинтеза фукоксантина использовали чередование источников излучения белый: синий свет в соотношении 18 : 6. Интенсивность синего света составляла 120 μE m⁻² s⁻¹.

По результатам наших экспериментов концентрация фукоксантина достигла 23 мг/г сухой массы водорослей, что в пересчёте на литр культуры составляло 69 мг/л. Максимальная скорость накопления фукоксантина в клетках составила 4 мг/(г*сут) или соответственно в культуре – 12 мг/(л*сут). Скорость накопления фукоксантина была неравномерной, поэтому по-прежнему остается вопрос получения фукоксантина в проточной культуре C. сlosterium. Отмечена линейная зависимость между концентрацией фукоксантина в клетках и суммарных липидов. А также накопление ПНЖК. Рассматривая механизм действия синего спектра излучения на накопление фукоксантина, можно отметить следующее: синий свет повышает экспрессию ключевых ферментов, участвующих в биосинтезе каротиноидов, таких как фитоен-синтаза и фитоен-десатураза. Кроме того, воздействие синего света вызывает у диатомей легкий окислительный стресс, который может быть вторичным триггером для накопления каротиноидов. Однако, чрезмерный окислительный стресс может быть губительным, контролируемое воздействие синего света стимулирует антиоксидантную защиту, что приводит к увеличению производства фукоксантина и других защитных пигментов (Song et al., 2025). Таким образом, активация фоторецепторов синим светом запускает каскад сигнальных событий, приводящих к усиленному синтезу фукоксантина через регуляцию транскрипции генов, пост трансляционные модификации и перестройку фотосинтетического аппарата. Таким образом, C. сlosterium зарекомендовала себя как перспективный источник фукоксантина. Понимание механизмов влияния синего света на биосинтез фукоксантина в клетках позволит разработать технологию получения фукоксантина на основе проточной интенсивной культуры.

Финансирование. Работа выполнена в рамках госзадания ФИЦ ИнБЮМ РАН «Комплексное исследование механизмов функционирования морских биотехнологических комплексов с целью получения биологически активных веществ из гидробионтов» (№ 124022400152-1).

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данном сообщении.

Список литературы

1. Геворгиз Р.Г., Железнова С.Н., Зозуля Ю.В., Уваров И.П., Репков А.П., Лелеков А.С. Промышленная технология производства биомассы морской диатомеи Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & Lewin с использованием газовихревого фотобиореактора // Актуальные вопросы биологической физики и химии. 2016. № 1–1. С. 73–77. 
2. Железнова С.Н., Геворгиз Р.Г., Бобко Н.И., Лелеков А.С. Питательная среда для интенсивной культуры диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin – перспективного объекта биотехнологий // Актуальная биотехнология. 2015. № 3(14). C. 46–48.
3. Железнова С.Н. Продукционные характеристики морской диатомовой водоросли Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin в интенсивной культуре при различных источниках азота в питательной среде // Морской биологический журнал. 2019. Т.4, №1. С. 33–44. DOI: 10.21072/mbj.2019.04.1.04
4. Almeyda M.D., Scodelaro Bilbao P.G., Popovich C.A., Constenla D., Leonardi P.I. Enhancement of polyunsaturated fatty acid production under low-temperature stress in Cylindrotheca closterium // Journal of Applied Phycology. 2020. V.32. P. 989–1001. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-020-02047-x
5. Ahmed S.A., Mendonca P., Elhag R., Soliman K.F.A. Anticancer effects of fucoxanthin through cell cycle arrest, apoptosis induction, angiogenesis inhibition, and autophagy modulation // International Journal of Molecular Sciences. 2022. V.23, №24. P. 1–27. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms232416091
6. Guan B., Chen K., Tong Z., Chen L., Chen Q., Su J. Advances in fucoxanthin research for the prevention and treatment of inflammation-related diseases // Nutrients. 2022. V.14, № 22. P. 1–13. DOI: https://doi.org/10.3390/nu14224768
7. Palanisamy K.M., Ab. Rahim M.H., Govindan N., Ramaraj R., Kuppusamy P., Maniam G.P. Effect of blue light intensity and photoperiods on the growth of diatom Thalassiosira pseudonana // Bioresource Technology Reports. 2022. V.19, №9. P. 1–18. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101152
8. Song Q., Liu C., Xu R., Cai L. Enhancement of fucoxanthin accumulation in Phaeodactylum tricornutum by light quality and intensity shift strategy // Chemical Engineering Journal. 2025. V.505, №11. P. 1–20. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159388
9. Wang S., Verma S.K., Said I.H., Thomsen L., Ullrich M.S., Kuhnert N. Changes in the fucoxanthin production and protein profiles in Cylindrotheca closterium in response to blue light-emitting diode light // Microbial Cell Factories. 2018. V.17, № 110. P. 1–13. DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-018-0957-0
10. Zheleznova S.N., Gevorgiz R.G., Nekhoroshev M.V. Conditions optimization of the Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann et Lewin cultivation in order to obtain a high yield of fucoxanthin // 3^rd Russian Conference on Medicinal Chemistry (Kazan, 28 Sept. – 03 Oct., 2017): Abstr. book. – Kazan: Kazan Federal University, 2017. – P. 261.

Статья поступила в редакцию 18.06.2025
После доработки 06.09.2025
Статья принята к публикации 07.09.2025

Об авторах

Железнова Светлана Николаевна – Svetlana N. Zheleznova

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О.Ковалевского РАН» – ФИЦ ИнБЮМ РАН, Севастополь, Россия (Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS, Sevastopol, Russia), Отдел экологии бентоса

zheleznovasveta@yandex.ru

Геворгиз Руслан Георгиевич – Ruslan G. Gevorgiz

кандидат биологических наук
старший научный сотрудник, ФИЦ «Институт биологии южных морей имени А.О.Ковалевского РАН» - ФИЦ ИнБЮМ РАН, Севастополь, Россия (Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS, Sevastopol, Russia), Отдел экологии бентоса

r.gevorgiz@yandex.ru

Корреспондентский адрес: Россия, 299011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2, ФИЦ ИнБЮМ РАН; тел. (8692)55-07-95.

ССЫЛКА:

Железнова С.Н., Геворгиз Р.Г. Влияние спектрального состава света на скорость биосинтеза фукоксантина в накопительной культуре морской диатомеи Cylindrotheca closterium // Вопросы современной альгологии. 2025. №1–2(37–38). С. 369–372. URL: http://algology.ru/2225

DOI – https://doi.org/10.33624//2311-0147-2025-1(37)-369-372

EDN – ZLVJNG

При перепечатке ссылка на сайт обязательна

Уважаемые коллеги! Если Вы хотите получить версию статьи в формате PDF, пожалуйста, напишите в редакцию, и мы ее вам с удовольствием пришлем бесплатно. 
Адрес - info@algology.ru

Influence of light spectral composition on the rate of fucoxanthin biosynthesis in the enhancement culture of the marine diatom Cylindrotheca closterium

Svetlana N. Zheleznova, Ruslan G. Gevorgiz

Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS (Sevastopol, Russia)

Irradiation with blue light at 120 μE m⁻²∙s⁻¹ of an optically dense culture (3 g dry weight in litre) increased the rate of fucoxanthin and lipid biosynthesis in diatom Cylindrotheca closterium under a 6 : 18 h blue:white light cycle. The fucoxanthin concentration reached 23 mg/g of dry weight, which is 69 mg/l per litre of culture. The maximum rate of fucoxanthin accumulation in cells was 4 mg/(g*day) or, respectively, 12 mg/(l*day) in culture. The rate of fucoxanthin accumulation was uneven, so the question of obtaining fucoxanthin in a flow C. closterium culture remains. A linear relationship was observed between the concentration of fucoxanthin in cells and total lipids.

Key words: Diatoms; Cylindrotheca closterium; blue light; fucoxanthin

References

1. Almeyda M.D., Scodelaro Bilbao P.G., Popovich C.A., Constenla D., Leonardi P.I. Enhancement of polyunsaturated fatty acid production under low-temperature stress in Cylindrotheca closterium. Journal of Applied Phycology. 2020. V.32. P. 989–1001. DOI: https://doi.org/10.1007/s10811-020-02047-x
2. Ahmed S.A., Mendonca P., Elhag R., Soliman K.F.A. Anticancer effects of fucoxanthin through cell cycle arrest, apoptosis induction, angiogenesis inhibition, and autophagy modulation. International Journal of Molecular Sciences. 2022. V.23, №24. P. 1–27. DOI: https://doi.org/10.3390/ijms232416091
3. Gevorgiz R.G., Zheleznova S.N., Zozulya Y.V., Uvarov I.P., Repkov A.P., Lelekov A.S. Industrial production technology biomass marine diatoms Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann & Lewin using gas vortex photobioreactor. Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty. 2016. № 1-1. P. 73–77. (In Russ.)
4. Guan B., Chen K., Tong Z., Chen L., Chen Q., Su J. Advances in fucoxanthin research for the prevention and treatment of inflammation-related diseases. Nutrients. 2022. V.14, № 22. P. 1–13. DOI: https://doi.org/10.3390/nu14224768
5. Palanisamy K.M., Ab. Rahim M.H., Govindan N., Ramaraj R., Kuppusamy P., Maniam G.P. Effect of blue light intensity and photoperiods on the growth of diatom Thalassiosira pseudonana. Bioresource Technology Reports. 2022. V.19, №9. P. 1–18. DOI: https://doi.org/10.1016/j.biteb.2022.101152
6. Song Q., Liu C., Xu R., Cai L. Enhancement of fucoxanthin accumulation in Phaeodactylum tricornutum by light quality and intensity shift strategy. Chemical Engineering Journal. 2025. V.505, №11. P. 1–20. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.159388
7. Wang S., Verma S.K., Said I.H., Thomsen L., Ullrich M.S., Kuhnert N. Changes in the fucoxanthin production and protein profiles in Cylindrotheca closterium in response to blue light-emitting diode light. Microbial Cell Factories. 2018. V.17, № 110. P. 1–13. DOI: https://doi.org/10.1186/s12934-018-0957-0
8. Zheleznova S.N. Production characteristics of the diatom Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann et Lewin grown in an intensive culture at various nitrogen sources in the medium. Marine Biological Journal. 2019. V.4, №1. P. 33–44. DOI: https://doi.org/10.21072/mbj.2019.04.1.04 (In Russ.)
9. Zheleznova S.N., Gevorgiz R.G., Bobko N.I., Lelekov A.S. Culture medium for the intensive culture of of diatomic alga Cylindrotheca closterium (Ehrenb.) Reimann Et Lewin – promising biotech facility. Topical biotechnology. 2015. № 3(14). P. 46–48. (In Russ.)
10. Zheleznova S.N., Gevorgiz R.G., Nekhoroshev M.V. Conditions optimization of the Cylindrotheca closterium (Ehrenberg) Reimann et Lewin cultivation in order to obtain a high yield of fucoxanthin. Proceedings of 3^rd Russian Conference on Medicinal Chemistry (Kazan, 28 Sept. – 03 Oct., 2017). Kazan Federal University, Kazan, 2017. P. 261.

Authors

Zheleznova Svetlana N.

ORCID – https://orcid.org/0000-0003-1800-5902

Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS, Sevastopol, Russia

zheleznovasveta@yandex.ru

Gevorgiz Ruslan G.

ORCID – https://orcid.org/0000-0002-8017-5593

Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas of RAS, Sevastopol, Russia

r.gevorgiz@yandex.ru

ARTICLE LINK:

Zheleznova S.N., Gevorgiz R.G. Influence of light spectral composition on the rate of fucoxanthin biosynthesis in the enhancement culture of the marine diatom Cylindrotheca closterium. Voprosy sovremennoi algologii (Issues of modern algology). 2025. № 1–2(37–38). P. 369–372. URL: http://algology.ru/2225

DOI – https://doi.org/10.33624//2311-0147-2025-1(37)-369-372

EDN – ZLVJNG

When reprinting a link to the site is required

Dear colleagues! If you want to receive the version of the article in PDF format, write to the editor, please and we send it to you with pleasure for free. 
Address - info@algology.ru

На ГЛАВНУЮ

Карта сайта

К разделу ОБЗОРЫ, СТАТЬИ И КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

КОНТАКТЫ

Email: info@algology.ru

Изготовление интернет сайта
5Dmedia

ЛИЦЕНЗИЯ

Эл N ФС 77-22222 от 01 ноября 2005г.

ISSN 2311-0147