Entreprenörer inom vattenbrukssektorn står inför ett problem – att utvinna alla värdefulla molekyler från tång- och algceller är fortfarande riktigt svårt. Men marina enzymer och magneter gör det nu lättare att ta bort värdefulla molekyler och kan till och med förvandla mikroalger till magnetiskt styrda "fordon" för riktad läkemedelsleverans.

Algceller innehåller alla typer av användbara ämnen, såsom omegas som används i kosttillskott, proteiner, antioxidanter för skönhetsprodukter, och organiska kemikalier som används för att göra biologiskt nedbrytbara alternativ till plast.

Tyvärr, mer än hälften av de ämnen som finns i tång kan inte skördas.

"Problemet med den industriella processen att extrahera alginat (en typ av syra som finns i tång som används i läkemedel) är att 60 % av biomassan inte kommer att kunna användas till något annat, sa Dr Kévin Cascella, en molekylär marinbiolog och projektledare för ett projekt som heter GENIALG.

Projektet använder marina enzymer för att säkerställa att alla användbara molekyler som finns i algceller kan extraheras för industriellt bruk.

Som ett resultat av framsteg i nästa generations sekvensering och analys av hela genomet av bakterier som lever på tång, GENIALG trodde att relevanta metoder kunde utvecklas för att övervinna den envisa tångcellväggen.

De började med att selektivt föda upp tång för högre tillväxthastigheter och bättre avkastning, precis som bönder traditionellt har fött upp nötkreatur för den bästa mjölken, men med en extra dimension. Genom att använda genetiska analystekniker, teamet identifierar de regioner i genomet som är kopplade till specifika egenskaper. Detta kan vara lipidhalten i en tångcell, till exempel. Lipider är särskilt intressanta för nutraceuticals, kosttillskottsindustrin.

Forskarna tittade sedan på hur man kan förbättra den fysiska och biokemiska utvinningen av biomolekyler.

Nuvarande industriella processer innebär att tångceller bryts isär genom malning eller pressning. På det här sättet, cellerna genomgår en fraktioneringsprocess för att separera det flytande cellinnehållet från de fasta delarna. Nästa, föreningarna avlägsnas med enzymer, som fungerar som biologisk sax, bryta cellväggen på specifika ställen. Specifika enzymer används för att generera och frigöra speciella värdefulla biomolekyler.

Marina enzymer

GENIALGs forskare vid Roscoff Biological Station, Frankrike, har arbetat med marina enzymer under de senaste 20 åren, och de tror att de har hittat några bakteriella enzymer som kan ge högre avkastning än de kommersiella.

"De olika typerna av enzymkombinationer tillåter nedbrytning av tångens cellvägg, sa Dr Cascella, tillägger att dessa kombinationer genererar olika typer av molekyler. Teamet testar de nya molekylerna för att se vad de gör och om de kan vara användbara i medicinska eller andra tillämpningar.

Teamet har två pilotanläggningar för bioraffinaderi och bygger en biobank, där forskare och allmänheten kan studera stammar av tång vid olika punkter i deras livscykel. Enligt Dr. Cascella, de har redan hittat en viss förening som har potential att påverka cancerceller, som de just nu utreder närmare.

Enzymer är inte det enda sättet att skörda de eftertraktade föreningarna. En annan metod som undersöks av andra forskare involverar användningen av magneter.

För att mikroalger ska växa, fotosyntes och producerar biomolekyler som värderas av olika industrier, de måste vara suspenderade i vatten och de har tillgång till en ljuskälla. Men ljus färdas inte genom vatten på ett enhetligt sätt, och mikroalgceller rör sig fritt.

VALUEMAG-projektet trodde att magneter kunde hålla mikroalgcellerna konsekvent nära en ljuskälla så att de skulle fotosyntes i maximal hastighet. De för in små nanopartiklar av järn i mikroalgceller för att "magnetisera" dem, med hjälp av en ny enhet utvecklad av projektet. Cellerna sprids sedan över en kon med magnetisk yta och matas med en konstant ström av vatten och ljus. Detta säkerställer att de producerar så många biomolekyler som möjligt.

Magneter

När det är dags att skörda dessa användbara biomolekyler, magneter används igen.

Teamet använder först en process som kallas 'superkritisk CO ₂ extraktion' för att bryta mikroalgcellerna.

När cellerna bryts isär, forskarna står kvar med en lösning av mikroalgextrakt och nanopartiklar. För att ta bort molekylerna som de vill ha, som proteiner eller lipider, projektet använder en ny teknik som de utvecklat kallad "selektiv magnetisk separation", säger professor Evangelos Hristoforou, chefen för laboratoriet för elektroniska sensorer vid Atens nationella tekniska universitet, Grekland, och VALUEMAGs projektkoordinator.

Metoden går ut på att täcka nanopartiklarna med ligander - små molekyler som binder till andra molekyler, som ett slags biokemisk kardborre. Liganden attraheras specifikt till en viss målmolekyl och kommer därför att "fånga" den relevanta molekylen. Eftersom nanopartikeln är magnetiserad, att exponera blandningen för en magnet gör att såväl den fångade molekylen som liganden och nanopartikeln kan dras ut ur blandningen. Ett sista steg separerar liganden och nanopartikeln, och molekylen frigörs.

Eftersom de två metoderna inte kräver några kemikalier, extrakten är säkra att äta eller använda i kosmetika.

VALUEMAGs forskning har också potentiella biomedicinska tillämpningar. Forskarna upptäckte att magnetiserade mikroalgceller kunde ersätta mänskliga stamceller som används för att leverera läkemedel.

Cellterapi

För närvarande, mänskliga stamceller injiceras med läkemedel som styrs genom kroppen och frigörs vid en specifik punkt. Tekniken kallas cellterapi, men problemet med detta är att mänskliga stamceller kan stötas bort av kroppen eller ännu värre, bli cancer.

Mikroalger har inte den här typen av problem.

Mikroalgceller kan injiceras med järnnanopartiklar och läkemedlet som behöver frigöras i kroppen. Cellerna kan sedan styras av en läkare som använder magneter till rätt plats i kroppen, till exempel, läkemedel för att bekämpa levercancer bör släppas ut nära levern.

"De kan inte växa i våra kroppar eftersom de inte är mänskliga celler, sa Dr Angelo Ferraro, chefsbiolog för VALUEMAG. Och de är mindre immunogena, så att de kan användas som vehikel för kliniska terapier.'