Stan raf koralowych na świecie wciąż się pogarsza[1]. O tym, jak składniki kremów z filtrem UV przyczyniają się do ich wymierania wyjaśnialiśmy już w podcaście z dr Magdaleną Jander, prezeską i współzałożycielką polskiego startupu UVera, w którym opracowano bezpieczny dla środowiska sposób ochrony ludzkiej skóry przed promieniami ultrafioletowymi[2]. Jest on alternatywą dla kremów z filtrem chemicznym UV, zawierającym absorbujący promienie ultrafioletowe związek – oksybenzon (benzofenon-3). Choć skutecznie zabezpiecza on naszą skórę przed szkodliwym nadmiarem promieniowania UV-B, gdy staje się obecny w wodach morskich, uszkadza materiał genetyczny koralowców i uniemożliwia ich rozmnażanie[3]. Jest to problem na tyle duży, że zainteresował się nim także Michał Styczyński, doktorant Uniwersytetu Warszawskiego. Wynikiem prowadzonych przez niego badań jest wniosek, że bakterie antarktyczne zamieszkujące regiony charakteryzujące się wyjątkowo niskimi temperaturami i silnym promieniowaniem UV, jako produkt uboczny swojego procesu metabolicznego wytwarzają substancje absorbujące nadmiar szkodliwego promieniowania.

Przyczyny wytwarzania przez bakterie antarktyczne związków chroniących przed szkodliwym promieniowaniem UV

Wyobraźmy sobie, że jesteśmy bakteriami żyjącymi na Antarktydzie, które każdego dnia zmagają się z silnym nasłonecznieniem i ekstremalnie niskimi temperaturami. Nadmiar promieniowania ultrafioletowego uszkadza nasz materiał genetyczny, a niska temperatura powoduje zamarzanie i rozrywanie naszych komórek. Aby przetrwać w tak trudnych warunkach, musimy wykształcić pewne cechy adaptacyjne. Są nimi właśnie wytwarzane przez bakterie pigmenty karotenoidowe, które absorbują szkodliwe promieniowanie i zachowują płynność błony komórkowej, chroniąc ich komórki przed zamarzaniem.

Produkcja karotenoidów przez bakterie Planococcus sp. ANT_H30 and Rhodococcus sp. ANT_H53B i ich wpływ na środowisko

Badanie prowadzone przez Michała Styczyńskiego wraz z zespołem miało na celu zrozumienie szlaków metabolicznych bakterii Planococcus sp. ANT_H30 i Rhodococcus sp. ANT_H53B, których produktem są karotenoidy oraz przetestowanie, czy te dwa szczepy bakterii mogą produkować substancje pochłaniające UV przy użyciu odpadów. Jeśli okazałoby się to możliwe, hodowanie ich w laboratorium pozwoliłoby na jednoczesne przetwarzanie materiałów odpadowych, a więc ,,naturalny recykling” – odpady mogłyby być zamieniane na składniki kremów z filtrem UV.

Oba badane szczepy pochodziły z kultur bakteryjnych, które zostały wyizolowane z próbek gleby pobranych z Wyspy Króla Jerzego w rejonie Antarktyki. Komórki bakteryjne miały pomarańczową barwę, co sugerowało, że są producentami karotenoidów. Bakterie przez 4 dni hodowano na różnych pożywkach wzrostowych oraz w różnych temperaturach. 

fot. 1 Antarktyczne szczepy bakterii hodowane na pożywce LB: a) Planococcus sp. ANT_H30 i b) Rhodococcus sp. ANT_H53B. [4]

Porównywano szczepy hodowane na pożywce LB, czyli ,,bulionie lizogennym”, która zawiera rozpuszczone w wodzie redestylowanej ekstrakt z drożdży, trypton i chlorek sodu z pożywką minimalną (oznaczaną jako M9) z dodatkiem tanich przemysłowych odpadów – melasy buraczanej (ang. mollases – oznaczanej jako MO) i ekstraktu drożdżowego (ang. yeast extract – oznaczanego jako YE). Na schemacie przedstawiono ilość wyprodukowanych karotenoidów u Planococcus sp. ANT_H30 i Rhodococcus sp. ANT_H53B w zależności od warunków. 

rys. 1 Porównanie ilości wyprodukowanych karotenoidów u Planococcus sp. ANT_H30 i Rhodococcus sp. ANT_H53B hodowanych w różnych warunkach temperatury i na różnych pożywkach. [4]

Dokonano także sekwencjonowania genomów obu szczepów, czyli odczytywania ich informacji genetycznej w całości, a dalsze analizy genomiczne umożliwiły znalezienie genów odpowiedzialnych za produkcję karotenoidów. Badanie pozwoliło więc wykazać, że określone szczepy bakterii antarktycznych są producentami karotenoidów, które mogą być wykorzystane, wraz ze związkami z grupy melanin – również przez nie wytwarzanymi, do produkcji naturalnych filtrów UV. Zespół z Uniwersytetu Warszawskiego potwierdził też, że bakterie te mogą wykorzystywać jako źródło energii odpady, na przykład melasę buraczaną, która jest produktem ubocznym przemysłu cukrowniczego. Wykorzystywanie w branży kosmetycznej związków chemicznych produkowanych przez bakterie z Antarktydy może więc nie tylko uratować rafy koralowe, ale też zmniejszyć ilość odpadów przemysłowych – a więc faktycznie wspomóc ochronę środowiska naturalnego.

Bibliografia:

1. Status of Coral Reefs of the World: 2020, Global Coral Reef Monitoring Network,https://gcrmn.net/wp-content/uploads/2022/05/Chapter-2.-Status-of-Coral-Reefs-of-the-World.pdf (dostęp 23.10.2022)
2. Nowatorska ochrona przed promieniami UV, dr Magdalena Jander, Coopernicus https://coopernicus.pl/pl/knowledge/nowatorska-ochrona-przed-promieniami-uv/
3. Toxicopathological Effects of the Sunscreen UV Filter, Oxybenzone (Benzophenone-3), on Coral Planulae and Cultured Primary Cells and Its Environmental Contamination in Hawaii and the U.S. Virgin Islands, C. A. Downs, Esti Kramarsky-Winter, Roee Segal, John Fauth, Sean Knutson, Omri Bronstein, Frederic R. Ciner, Rina Jeger, Yona Lichtenfeld, Cheryl M. Woodley, Paul Pennington, Kelli Cadenas, Ariel Kushmaro, Yossi Loya, http://link.springer.com/article/10.1007/s00244-015-0227-7 (dostęp 23.10.2022)
4. Genome-Based Insights into the Production of Carotenoids by Antarctic Bacteria, Planococcus sp. ANT_H30 and Rhodococcus sp. ANT_H53B, Michał Styczyński, Agata Rogowska, dr Katarzyna Gieczewska, prof. dr hab. Maciej Garstka, https://www.researchgate.net/publication/344406755_Genome-Based_Insights_into_the_Production_of_Carotenoids_by_Antarctic_Bacteria_Planococcus_sp_ANT_H30_and_Rhodococcus_sp_ANT_H53B (dostęp 23.10.2022)