Naturalne produkty glonów i sinic Morza Bałtyckiego - zagrożenie czy nadzieja Hanna Mazur-Marzec, Agata Błaszczyk, Justyna Kobos, Anna Toruńska-Sitarz
Zakład Biotechnologii Morskiej, Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański Al. Marszałka J. Piłsudskiego 46, 81-378 Gdańsk
e-mail: biohm@ug.edu.pl
1. Wstęp
Glony i sinice (cyjanobakterie) są naturalnymi komponetami wielu ekosystemów wodnych, w tym mórz i oceanów. Pojawienie się na Ziemi sinic datowane jest na około 3,5 miliarda lat temu. Do głównych zasług tych mikroorganizmów zaliczamy powstanie atmosfery tlenowej, która zdeterminowała rozwój wszystkich form życia na Ziemi. Glony i sinice pełnią istotną rolę w globalnym obiegu węgla i azotu w przyrodzie, są też ważnymi producentami materii pierwotnej. Obecność tych organizmów w przyrodzie jest szczególnie odnotowywane wówczas, gdy pojawiają się masowo, tworząc zjawisko określane zakwitami wody. Częstotliwość i intensywność zakwitów determinowane są wieloma naturalnymi i antropogenicznymi, lokalnymi i globalnymi czynnikami, takimi jak eutrofizacja, zmiany klimatu czy sposób zarządzania strefą brzegową.
W Morzu Bałtyckim glony i sinice występowały od początku istnienia tego akwenu.
Masowy rozwój tych organizmów uznawany jest za zjawisko negatywne. W ostatnim czasie wyrażane są również odmienne poglądy, według których nawet toksyczne sinice stanowią element bazy pokarmowej oraz korzystnie wpływają na reprodukcję bałtyckich widłonogów (Copepoda), uznawanych za ważnych producentów wtórnych (Hogfors i in. 2014).
Poza funkcją ekologiczną, istotną cechą glonów i sinic jest produkcja metabolitów wtórnych wykazujących różnorodną aktywność biologiczną. Wśród tych metabolitów są zarówno związki toksyczne, jak i te które mogą znaleźć biotechnologiczne zastosowanie.
Celem prezentacji jest przedstawienie negatywnej i pozytywnej roli jaką w życiu człowieka mogą odegrać metabolity produkowane przez bałtyckie glony i sinice.
2. Szkodliwe działanie metabolity glonów i sinic
Według istniejącej wiedzy, w Morzu Bałtyckim głównym źródłem naturalnych związków mogących stanowić zagrożenie dla człowieka jest sinica z gatunku N. spumigena.
W okresie letnim powszechne zainteresowanie mediów, turystów, ekologów oraz instytucji zajmujących się zdrowiem publicznym wywołuje jej masowe pojawienie się w okolicach kąpielisk nadmorskich. Produkowana przez ten organizm nodularyna należy do silnych hepatotoksyn (LD50 = 50 µg/kg). Według Kankaanpää i in. (2009), ilość nodularyny jaka wytwarzana jest w ciągu roku w Bałtyku jest około 1.000-40.000 razy większa niż wynosi całkowity ładunek antropogenicznych zanieczyszczeń organicznych. W Szwecji, Niemczech i Danii wielokrotnie odnotowywano przypadki zatrucia zwierząt domowych i dziko żyjących wywołanych przez sinicowe toksyny. Realność zagrożenia dla zdrowia człowieka
udokumentowana jest w pracach Światowej Organizacji Zdrowia (m.in. Kuiper-Goodman i in. 1999). W 2006 r. opublikowana została Dyrektywa Kąpieliskowa (2006/7/WE), według której kryterium oceny jakości wody jest sama obecność zwiększonej ilości sinic na kąpieliskach. W dokumencie tym nie przewiduje się natomiast pomiaru stężenia toksyn. Taki sposób oceny jakości wody, choć mało precyzyjny, zakładał niekompletność naszej wiedzy o działaniu innych metabolitów sinic na człowieka. W ostatnich latach coraz częściej wskazuje się na możliwy związek pomiędzy kumulacją w organizmach morskiego neurotoksyny wytwarzanej przez sinice, β-metylamino-L-alaniny (BMAA), a zachorowalnością na choroby neurodegeneracyjne u osób spożywających owoce morza (Pablo i in. 2009, Réveillon i in.
2014).
W Morzu Bałtyckim, poza sinicami, źródłem związków toksycznych są również bruzdnice z rodzaju Alexandrium, Dinophysis i Prorocentrum. Zauważalna ze względu na towarzyszące jej zjawisko bioluminescencji bruzdnica Alexandrium ostenfeldii produkuje neurotoksyczne alkaloidy z grupy saxitoksyn (Suikkanen i in. 2014).
Niektóre gatunki bruzdnic zostały przetransportowane do Bałtyku w zbiornikach balastowych statków, gdzie mogły przetrwać w postaci cyst. Aby ograniczyć introdukcję przez transport morski toksycznych glonów i innych gatunków obcych, w 2004 r.
Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO) podpisała Konwencję o Kontroli w Zarządzaniu Wodami Balastowymi Statków i Osadu.
Narażenie człowieka na kontakt z szkodliwymi metabolitami glonów i sinic może następować w trakcie rekreacyjnego korzystania z kąpielisk oraz poprzez spożywanie organizmów morskich zanieczyszczonych biotoksynami.
3. Możliwości biotechnologicznego wykorzystania metabolitów sinic
Sinice uznawane są również za bogate źródło metabolitów wtórnych o potencjalnym biotechnologicznym zastosowaniu. U bałtyckich sinic zidentyfikowano między innymi spumiginy i aeruginozyny (Fewer i in. 2009, Mazur-Marzec i in. 2013) - inhibitory proteaz – enzymów hydrolitycznych, które uczestniczą w takich procesach jak trawienie, koagulacja krwi, fibrynoliza, apoptoza. Z tego też względu mogą znaleźć zastosowanie w leczeniu chorób układu krążenia, zakrzepicy żył, nadciśnienia oraz w leczeniu infekcji wirusowych.
Inną grupą metabolitów sinic są anabaenopeptyny – inhibitory fosfataz białkowych.
Związki, które modyfikują aktywność tych enzymów są poszukiwanymi czynnikami terapeutycznymi w chorobie Parkinsona, nowotworach, białaczce szpikowej czy przeroście mięśnia sercowego. Do inhibitorów fosfataz białkowych zaliczane są również toksyny sinicowe: nodularyna czy mikrocystyna. Nostocyklopepty, inna grupa peptydów zidentyfikowanch u sinic, hamują transport tych toksyn do hepatocytów. Mogą więc działać jako antytoksyny (Herfindal i in. 2011).
Badania prowadzone z zastosowaniem ekstraktów sinicowych wykazały działanie antybiotyczne względem patogennych bakterii i grzybów; stymulowały również proliferację limfocytów T (Mazur-Marzec i in. 2015). Cytotoksyczną aktywność względem linii komórek nowotworowych stwierdzono w przypadku ekstraktów, frakcji oraz związków wyizolowanych z kilku gatunków bałtyckich sinic.
4. Podsumowanie
Organizmy morskie, ze względu na specyficzne warunki środowiska w jakim żyją, są źródłem wielu metabolitów o unikalnej strukturze i aktywności biologicznej. Znaczenie tych związków dla samych organizmów i funkcjonowania ekosystemu najczęściej nie jest znane. Dla człowieka stanowią one zarówno źródło zagrożeń, jak i nadzieję na wykorzystanie w leczeniu niektórych chorób.
Pozyskiwanie produktów o wysokiej wartości dodanej z organizmów morskich jest dziś jednym z priorytetów w programach europejskich, w tym tych, które dotyczą rejonu Morza Bałtyckiego.
Literatura
Dyrektywa 2006/7/WE z dnia 15 lutego 2006 roku Parlamentu Europejskiego i Rady Europy dotycząca zarządzania jakością wody w kąpieliskach, uchylająca dyrektywę 76/160EWG.
Fewer, D.P., Jokela, J., Rouhiainen, L., Wahlsten, M., Koskenniemi, K., Stal, L.J, Sivonen, K., 2009. The non-ribosomal assembly and frequent occurrence of the protease inhibitors spumigins in the bloom-forming cyanobacterium Nodularia spumigena. Mol.
Microbiol., 73, 924–937.
Herfindal, L., Myhren, L., Kleppe, R., Krakstad, C., Selheim, F., Jokela, J., Sivonen, K., Døskeland S.O., 2011. Nostocyclopeptide-M1: a potent, nontoxic inhibitor of the hepatocyte drug transporters OATP1B3 and OATP1B1. Mol. Pharmacol., 8, 360-367.
Hogfors, H., Motwani, N.H., Hajdu, S., El-Shehawy, R., Holmborn, T., 2014. Bloom-forming cyanobacteria support copepod reproduction and development in the Baltic Sea. PLoS ONE 9(11): e112692. doi:10.1371/journal.pone.0112692.
Kankaanpää, H., Sjövall, O., Huttunen, M., Olin, M., Karlsson, K., Hyvärinen, K., Sneitz, L., Härkönen, J., Sipiä, V.O., Meriluoto, J.A.O., 2009. Production and sedimentation of peptide toxins nodularin-R and microcystin-LR in the northern Baltic Sea, Environ.
Pollution, 157 (157), 1301–1309.
Kuiper-Goodman, T., Falconer, I., Fitzgerald, J., 1999. Human health aspect [w:] Toxic cyanobacteria in water: a guide to their public health consequences,monitoring and management, I. Chorus i J. Bartram (red.), WHO Publ.,E. & F.N. Spon, London, 113–
153.
Mazur-Marzec, H., Błaszczyk, A., Felczykowska, A, Hohlfeld, N., Kobos, J., Toruńska- Sitarz, A., Dev, P., Montalvão, S., D’Souza, L., Tammela, P., Mikosik, A., Bloch, S., Nejman-Faleńczyk, B., Węgrzyn, G. 2015. Baltic cyanobacteria - a source of biologically active metabolites. Europ. J. Phycol.
Mazur-Marzec, H., Kaczkowska, M.J., Błaszczyk, A., Akcaalan, R., Spoof, L., Meriluoto, J., 2013. Diversity of peptides produced by Nodularia spumigena from various geographical regions. Mar. Drugs, 11, 1–19.
Pablo, J., Banack, S.A., Cox, P.A., Johnson, T.E., Papapetropoulos, S., Bradley, W. G., Buck, A., Mash, D.C., 2009, Cyanobacterial neurotoxin BMAA in ALS and Alzheimer's disease. Acta Neurol. Scandin. 120, (4), 216-225.
Réveillon, D., Abadie, E., Séchet, V., Brient, L., Savar, V., Bardouil, M., Hess, P., Amzil, Z., 2014, Beta-N-methylamino-L-alanine: LC-MS/MS optimization, screening of cyanobacterial strains and occurrence in shellfish from Thau, a French Mediterranean Lagoon. Mar. Drugs 12, (11), 5441-5467.
Suikkanen, S., Kremp, A., Hautala, H., Krock, B., 2013. Paralytic shellfish toxins or spirolides? The role of environmental and genetic factors in toxin production of the Alexandrium ostenfeldii complex, Harmful Algae, 26, 52-59. doi:
10.1016/j.hal.2013.04.001.
