无溶剂路线生产高附加值紫外线滤光剂：从弱束黏菌ASYA18可持续生产菌孢样氨基酸

《Sustainable Chemistry and Pharmacy》：A solvent-free route to high-value UV filters: sustainable production of mycosporine-like amino acids from Klebsormidium flaccidum ASYA18

　　

# 摘要

本研究开发了一种综合生物精炼厂，用于从南极嗜冷微藻 Klebsormidium flaccidum ASYA18 中可持续地生产和提取微生物胞氨酸类似氨基酸 (MAA)。测试了多种胁迫组合以最大化 MAA 积累；高 PAR (HP) + UVA (紫外-A) + UVB (紫外-B) 组合在 72 小时后产量最高。评估了甲醇基 (ME)、水基 (WE) 和顺序双相 (SBE) 提取方法，用于从同一生物量中提取 MAA 和脂肪酸甲酯 (FAME)。提取效率指数 (EEI) 显示 WE 最高效 (EEI: 8%)，产量达 110 mg/g 干重。FAME 谱分析显示 SFA (饱和脂肪酸) 占主导的组成在所有方法中均得以保持。HPLC (高效液相色谱)、LC-MS/MS (液相色谱-串联质谱) 和 NMR (核磁共振波谱) 确认了 Asterina-330 (111.2 μg/mL) 和 Palythine (170.1 μg/mL)。WE 提取物优于其他方法获得的提取物，具有 78.0% 的 DPPH (2,2-二苯基-1-苦基肼基自由基) 清除活性、IC50 为 32.05 μg/mL、还原能力为 4.6 μg/mL 没食子酸当量 (GAE)，以及 SPF (防晒指数) 为 8.3。光稳定性和储存稳定性测试确认 WE 的 MAA 降解率最低。首次将简化的溶剂足迹估算应用于 MAA 提取，显示 WE 方法通过消除有机溶剂显著减少了环境影响。结合其更高的提取效率，这些发现表明水基提取在工艺性能和溶剂相关可持续性方面具有优势。因此，K. flaccidum ASYA18 成为高产、可持续 MAA 生产的宝贵资源，推进了天然紫外滤光剂的环保生产。

# 引言

太阳紫外辐射是重要的环境胁迫因素，会对生物系统造成直接和间接损伤 (H?der 等, 2015)。随着平流层臭氧层变薄，更多的 UV-B (280-315 nm) 和 UV-A (315-400 nm) 辐射到达地表，触发活性氧 (ROS) 的形成以及对蛋白质、脂质和核酸的氧化损伤。这种损伤与过早衰老、炎症和各种皮肤病直接相关 (Panich 等, 2016)。生物体已进化出光保护机制以限制这些有害影响；在人类中，色素黑色素是关键防御，可吸收紫外辐射并减少 DNA 损伤 (Vechtomova 等, 2021)。然而，紫外线暴露增加和气候变化驱动的环境压力使这些天然保护机制难以单独维持足够；对外源性紫外保护化合物的有效、安全需求正迅速增加 (Milutinov 等, 2024)。结合消费者意识提高、清洁标签产品需求和可持续性预期，这一需求使开发下一代光保护制剂成为化妆品和生物医学视角下的关键研究优先事项。

然而，目前广泛使用的合成紫外滤光剂正日益无法满足安全需求。氧苯酮和阿伏苯宗等化合物的内分泌干扰作用、对水生生态系统的毒性以及生物累积倾向引发了严重的环境和健康担忧；一些监管机构已开始限制其使用 (Just-Sarobé, 2025)。尽管氧化锌和二氧化钛等矿物替代品可提供广谱保护，但它们单独无法达到高 SPF 值，因此在商业配方中仍与合成滤光剂配合使用 (Khobragade 等, 2025)。然而，这种方法不仅无法解决现有的毒理学和环境问题，反而可能使其持续存在。这些局限性使发现和发展具有高效光保护、可生物降解和环保特性的天然紫外滤光剂来源成为当今首要的研究优先事项；在此背景下，MAA 脱颖而出，成为一种有前景的替代方案。

MAA 是天然的水溶性、光化学稳定化合物，具有高摩尔消光系数，吸收最大值约为 310 至 365 nm，具体取决于其结构 (Marcon 等, 2026)。这些分子通过吸收紫外辐射来减少细胞损伤，从而防止有害的光化学反应并将吸收的能量以热的形式耗散 (Teoh 等, 2026)。此外，其强效抗氧化特性限制了 ROS 积累，保护蛋白质、脂质和 DNA (Vignaud 等, 2023)。具有不同发色团结构的 MAA 类型共存，赋予这些化合物广谱紫外保护能力，同时使每种化合物能够执行独特的生物功能 (Lawrence 等, 2018)。这些特性使 MAA 成为合成滤光剂的强效且可持续的天然替代品。

微藻是实现生物技术潜力最有希望的生产平台之一。凭借其高生长速率、适应受控培养条件的能力以及代谢灵活性，这些生物体是 MAA 可扩展生产的理想系统；它们可以显著增加光保护化合物的合成以响应环境胁迫因子，如光强度、紫外辐射、盐分和营养限制 (Sun 等, 2018)。这一特性表明 MAA 生产不仅是一种防御机制，也是一个可调节的生物技术过程 (Maresca 等, 2025)。在此背景下，南极微藻代表了一种特别值得注意的资源：在低温、高光照强度和高紫外辐射等极端环境条件下进化，这些生物体已发展出强大的光保护系统以生存，并专门合成高水平的 MAA (Lauritano 等, 2020)。因此，南极微藻被认为是高产功能性 MAA 生产的独特生物技术资源。

Klebsormidium flaccidum ASYA18 是一种丝状、嗜冷的绿色微藻，分离自南极马蹄岛，并保藏于伊斯坦布尔梅德尼耶特大学南极微藻培养收藏中心 (IMUASYA)。作为适应极端极地条件 (低温、高辐照度和高紫外线暴露) 的物种，它代表了可持续生产 MAA 和相关脂质部分的有前景、尚未充分开发的生物技术资源。然而，将这种潜力转化为工业规模价值不仅需要生产优化，还需要开发适合的提取策略以实现高效的生物分子回收。在当前文献中，MAA 生产和提取在很大程度上被作为分离的过程处理；此外，有机溶剂对健康风险和环境影响的风险通常被忽视。除了 MAA 外，南极微藻还以其脂质生物合成能力而闻名，特别是其积累多不饱和脂肪酸 (PUFA) 作为寒冷适应策略的倾向：在低温下，细胞增加其膜中不饱和脂肪酸的比例以保持流动性和功能，这种现象称为同粘适应 (Kolomiiets 等, 2025)。通过酯交换反应，这一脂质部分可转化为脂肪酸甲酯 (FAME)，产生一种有价值的副产品，对生物柴油和功能性脂质应用具有已确立的相关性；Klebsormidium 物种也因其 PUFA 含量而受到关注 (Stoyneva-G?rtner 等, 2019)。从同一生物量中回收 MAA 和 FAME 部分与生物精炼厂概念相一致，该概念从单一原料中提取多个价值流以最大化资源利用率和工艺可持续性。

采用符合绿色化学原理的安全溶剂并系统评估环境影响正成为设计可持续 MAA 生产过程的基本要求。在此背景下，本研究的主要目标如下：(i) 确定最大化 K. flaccidum ASYA18 菌株 MAA 积累的胁迫组合，(ii) 比较甲醇基、水基和顺序双相提取方法以从同一生物量中同时回收 MAA 和 FAME，(iii) 通过 HPLC、LC-MS/MS 和 NMR 表征所获得的 MAA 部分以研究其抗氧化活性、SPF 和光稳定性，(iv) 使用简化的溶剂足迹估算评估提取方法的环境影响。本研究首次在同一框架下解决生产优化、绿色提取和环境评估这三个维度，并为天然紫外滤光剂的环保生产提供全面的框架。

# 章节摘要

## 南极微藻的来源、分子鉴定和培养条件

K. flaccidum ASYA18 于 2020 年 4 月从南极马蹄岛 (67°49′52″ S, 67°14′17″ W) 分离获得，并保藏于伊斯坦布尔梅德尼耶特大学南极微藻培养收藏中心 (IMUASYA; https://www.imuasya.org)。我们使用 Qiagen DNeasy Plant Mini Kit (Qiagen, Hilden, 德国) 提取基因组 DNA，并通过分光光度法验证其纯度。使用 Taq PCR Master Mix (EcoTech, 使用针对 18S rRNA (SSU) 和 ITS rDNA 区域的引物进行 PCR 扩增。

## 南极微藻的来源、分子鉴定和培养条件

为评估一种南极微藻的生态生理适应性和生物技术潜力，我们分离、分子鉴定和形态学表征了 K. flaccidum ASYA18 菌株。该菌株于 2020 年 4 月从南极马蹄岛 (67°49′52″ S, 67°14′17″ W) 分离获得，并保藏于 IMUASYA 培养收藏中心 (图 1A)。18S rRNA 和 ITS rDNA 序列分析显示与 K. flaccidum 100% 相似，系统发育分析将其置于 B/C 进化枝中。

# 结论

本研究提供了一种全面的整体方法，用于从南极来源的嗜冷微藻 K. flaccidum ASYA18 中同时生产 MAA 和 FAME，采用可持续、环保的方法。HP + UVA + UVB 结合 72 小时曝光是最大化 MAA 积累的最佳诱导条件。这种反应可能源于 ROS 诱导的氧化应激通路和 DNA 损伤反应的同时激活。

# CRediT 作者贡献声明

Mihra? G?rünmek：撰写 – 初稿，可视化，正式分析，数据管理。Turgay ?akmak：撰写 – 初稿，验证，监督，项目管理，调查，概念化。

# 知情同意声明

无需要声明的事项。

# 机构审查委员会声明/伦理批准

无需要声明的事项。

# 资金

本研究由土耳其科学和技术研究委员会 (TüB?TAK) 在资助编号 122Y136 下提供资助。作者感谢 TüB?TAK 的支持。

# 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

# 致谢

本工作由土耳其科学和技术研究委员会 TüB?TAK (122Y136) 支持。

Mihra? G?rünmek|Turgay ?akmak
伊斯坦布尔梅德尼耶特大学工程与自然科学学院分子生物学与遗传学系，土耳其伊斯坦布尔，34700