pmid: "34940712"
title: "Produção de Carotenoides a partir de Microalgas: Biossíntese, Respostas à Salinidade e Novas Biotecnologias."
authors: "Ren Y, Sun H, Deng J, Huang J, Chen F"
journal: "Marine drugs"
pubdate: "2021 Dec 20"
doi: "10.3390/md19120713"
source: "PMC Full Text"

Produção de Carotenoides a partir de Microalgas: Biossíntese, Respostas à Salinidade e Novas Biotecnologias.

Autores

Ren Y, Sun H, Deng J, Huang J, Chen F

Periodico

Marine drugs (2021 Dec 20)

Conteudo

Produção de Carotenoides a partir de Microalgas: Biossíntese, Respostas à Salinidade e Novas Biotecnologias
As microalgas são excelentes fábricas biológicas para produtos de alto valor e contêm carotenoides biofuncionais. Os carotenoides são um grupo de pigmentos naturais com alto valor na produção social e na saúde humana. Eles têm sido amplamente utilizados em aditivos alimentares, produtos farmacêuticos e cosméticos. Astaxantina, β-caroteno e luteína são atualmente os três carotenoides com a maior participação no mercado. Enquanto isso, outros pigmentos menos estudados, como fucoxantina e zeaxantina, também existem em microalgas e possuem grandes potenciais biofuncionais. Como o acúmulo de carotenoides está relacionado ao ambiente e o cultivo de microalgas em água do mar é um problema biotecnológico difícil, as contribuições do estresse salino no acúmulo de carotenoides em microalgas precisam ser reveladas para a produção em larga escala. Esta revisão resume de forma abrangente a biossíntese de carotenoides e as respostas à salinidade das microalgas. Aplicações do estresse salino para induzir o acúmulo de carotenoides, potenciais da Internet das Coisas no cultivo de microalgas e aspectos futuros para o cultivo em água do mar também são discutidos. Como a participação global do mercado de carotenoides ainda está em ascensão, biotecnologias de larga escala, econômicas e inteligentes para a produção de carotenoides desempenham papéis vitais na futura economia de microalgas.

1. Introdução
   Os carotenoides são uma classe de pigmentos terpenoides com esqueletos de C40 e são benéficos para a saúde humana na dieta diária. Até agora, mais de 1100 carotenoides foram descobertos, e eles existem em várias espécies, especialmente em criaturas aquáticas, micro-organismos e plantas terrestres. Os carotenoides são muito comuns em nossas vidas diárias; o tomate é rico em licopeno (vermelho rosado), o milho é abundante em zeaxantina (amarelo) e as cenouras e a Dunaliella salina são bem conhecidas por produzir β-caroteno (laranja). Os carotenoides ingeridos pelos humanos podem atuar como precursores da Vitamina A, reduzir radicais livres e reparar a retina danificada. Além disso, eles também podem reduzir os riscos de algumas doenças, pois possuem propriedades anticancerígenas, anti-inflamatórias e anti-obesidade. Portanto, os carotenoides têm sido amplamente utilizados nas indústrias alimentícia, de rações, cosmética e farmacêutica.
   Com o desenvolvimento das biotecnologias modernas e a preocupação do mercado com a segurança alimentar, a demanda por carotenoides de fontes naturais está aumentando notavelmente. Comparados aos carotenoides derivados de plantas, aqueles provenientes de micro-organismos são mais eficientes, têm menor custo e não são limitados por regiões e estações. No entanto, o mercado de carotenoides ainda é ocupado principalmente por produtos quimicamente sintéticos (80–90%), com uma porção muito menor de fontes naturais (10–20%). Assim, a escolha de micro-organismos de baixo custo, lucrativos e seguros para a produção de carotenoides está despertando grande interesse.
   As microalgas são diversas e abundantes. Elas podem se adaptar a diferentes condições de cultivo, crescer rapidamente e acumular uma grande quantidade de bioprodutos desejáveis, como ácidos graxos, proteínas e carotenoides. O mercado global de algas deve atingir 970 milhões de dólares americanos até o final de 2025, e o de carotenoides deve atingir 2 bilhões de dólares americanos até 2026, incluindo principalmente alimentos e bebidas (26,1%), produtos farmacêuticos (9,2%), cosméticos (6,5%) e suplementos alimentares (23,5%). Algumas espécies, como Chlorella e Spirulina, possuem status GRAS e são bem aceitas como alimentos saudáveis.

As microalgas possuem modos metabólicos versáteis e tendem a acumular diferentes metabólitos. Diferentes modos tróficos (autotrofia, mixotrofia, heterotrofia), condições de cultivo (luz, pH, oxigênio dissolvido) e disponibilidade de nutrientes (repleção ou depleção) levarão os esqueletos de carbono a ter composições celulares significativamente diferentes. Para metabólitos primários, luz e nutrientes adequados são essenciais para o crescimento ativo. Ao contrário, estresses adversos, como deficiência de nutrientes, alta luminosidade e estresse salino, são fatores-chave que despertam os mecanismos de defesa das microalgas e acumulam metabólitos secundários para sobreviver.

O estresse salino é um fator de estresse comum em ambientes naturais, especialmente para microalgas de água doce. O estresse salino pode levar a danos oxidativos, degradação da clorofila e inibir a fotossíntese e o crescimento. Para se adaptar ao estresse salino, as microalgas evoluíram uma estratégia de sobrevivência para garantir o equilíbrio entre crescimento e respostas ao estresse. Durante a adaptação ao estresse, algumas microalgas podem se tornar cistos e acumular metabólitos secundários, como astaxantina e triacilglicerol. No entanto, o estresse salino grave pode ser fatal para as microalgas quando as células estão em baixa concentração ou baixa viabilidade. Assim, o cultivo em duas etapas, equilibrando a densidade celular e o acúmulo de metabólitos, é uma estratégia popular na produção prática de compostos de alto valor a partir de microalgas. Devido à escassez de recursos de água doce, superar o problema de tolerância ao sal das microalgas de água doce também é de valor inestimável para o cultivo de microalgas em água do mar.

Esta revisão apresenta de forma abrangente a produção de carotenoides de alto valor e seus efeitos benéficos na saúde humana. Os resultados mais recentes da pesquisa são resumidos, e tópicos de biotecnologia são focados, como rendimentos de carotenoides derivados de microalgas e estratégias de cultivo de microalgas. Enquanto isso, a contribuição do estresse salino no crescimento e no acúmulo de carotenoides das microalgas também é discutida. Além disso, considerando tecnologias modernas avançadas, as perspectivas de aplicação da Internet das Coisas na biotecnologia inovadora são discutidas. Em resumo, este artigo tem como objetivo fornecer aos leitores um conhecimento abrangente sobre carotenoides derivados de microalgas e suas biotecnologias relacionadas, juntamente com o tratamento ou resistência ao estresse salino.

2. Carotenoides Promotores da Saúde de Microalgas e Suas Biofunções
   No mercado global de carotenoides, o β-caroteno atingirá um valor de 620 milhões de dólares americanos até o final de 2026, a luteína alcançará 357,7 milhões de dólares americanos até o final de 2024 e a astaxantina ultrapassará 800 milhões em 2026. Além disso, outros carotenoides promotores da saúde, como fucoxantina e zeaxantina, também estão atraindo a atenção dos consumidores.

A biomassa de microalgas pode ser colhida independentemente das estações e regiões. Outros metabólitos biofuncionais em microalgas também podem ser processados como produtos de valor agregado para aumentar a receita. A produção de carotenoides a partir de microalgas requer menos mão de obra e um processo de colheita fácil. Em comparação com plantas terrestres, as microalgas possuem maior eficiência fotossintética e uma taxa de crescimento superior. A seleção de linhagens hiperacumuladoras e a otimização das condições de cultivo necessárias para alcançar alta biomassa e máxima produtividade de carotenoides são os gargalos a serem resolvidos atualmente. Nesta seção, descrevemos de forma abrangente a biossíntese de carotenoides em microalgas e listamos vários carotenoides derivados de microalgas e suas biofunções.
2.1. Biossíntese de Carotenoides em Microalgas
Os carotenoides em microalgas podem ser categorizados como primários, relacionados à fotossíntese, e secundários, acumulados sob adversidade. Nesta revisão, focamos principalmente em carotenoides microalgais funcionais, incluindo luteína, β-caroteno, astaxantina, zeaxantina e fucoxantina.

As vias biossintéticas dos carotenoides envolvem vários intermediários e enzimas-chave (mostrados na Figura 1). Primeiro, através da via do metileritritol fosfato (MEP) no cloroplasto, o pirofosfato de isopentenila (IPP, C5) e seu isômero difosfato de dimetilalila (DMAPP, C5) são catalisados em uma proporção de 3:1 pela geranil difosfato sintase (GPPS) e pela geranilgeranil pirofosfato sintase (GGPPS) para geranilgeranil pirofosfato (GGPP, C20). Em H. pluvialis, esta etapa de C5 a C20 pode ser catalisada apenas pela GGPPS. A fitoeno sintase (PSY) condensa duas moléculas de GGPPS em (15Z)-fitoeno (C40), que é dessaturado e isomerizado em licopeno pelas fitoeno dessaturases (PDS), ζ-caroteno isomerase (Z-ISO), ζ-caroteno dessaturase (ZDS) e caroteno isomerase (CrtISO).
O licopeno pode fluir para dois ramos, o ramo α e o ramo β. A licopeno ε-ciclase (LCYE) e a licopeno β-ciclase (LCYB) catalisam o licopeno em α-caroteno, e então a citocromo P450 beta hidroxilase (CYP97A) e a citocromo P450 epsilon hidroxilase (CYP97C) convertem o α-caroteno em luteína. Quanto ao ramo β, o licopeno é convertido pela LCYB em β-caroteno. Para as microalgas capazes de acumular astaxantina, como Haematococcus pluvialis e Chromochloris zofingiensis, o β-caroteno também pode fluir para diferentes ramos. O β-caroteno pode primeiro ser catalisado pela β-caroteno cetolase (BKT) em cantaxantina e depois em astaxantina pela β-caroteno hidroxilase (CHYB). O β-caroteno também pode fluir para zeaxantina primeiro pela CHYB e depois para astaxantina pela BKT. Isso também reflete a diversidade do metabolismo das microalgas. Até o momento, a via de biossíntese exata da fucoxantina ainda não está clara.
2.2. Carotenoides Promotores da Saúde e Sua Produção a partir de Microalgas
2.2.1. Luteína
A luteína, (3R, 3′R, 6′R)-β, ε-caroteno-3, 3′-diol, é um antioxidante natural e tem despertado interesse por suas funções promotoras da saúde. O metabolismo humano não consegue sintetizar luteína, e a ingestão de luteína em uma dose sugerida (6 mg dia−1) tem se mostrado benéfica para a saúde humana. A luteína tem potencial na eliminação de radicais livres para a saúde da pele e também pode prevenir a degeneração macular relacionada à idade (DMRI) e a Doença de Alzheimer (DA). A luteína absorvida pode se acumular na retina humana, filtrar a luz azul e, assim, proteger a visão. Carotenoides biofuncionais e suas fontes naturais, biofunções e doses recomendadas estão listados na Tabela 1.
Frutas alaranjadas como manga, brócolis e outras verduras de folhas verdes são fontes alimentares de luteína. A flor de calêndula é a principal fonte natural de luteína e ésteres de luteína. Os teores de luteína em diferentes espécies de pétalas de calêndula variam de 17 a 570 mg/100 g. No entanto, existem algumas desvantagens dessa fonte, como a colheita obrigatória em estações específicas e a separação demorada das pétalas. Outras fontes contendo luteína também apresentam desvantagens como baixa concentração (resíduos de milho, verduras de folhas verdes) e baixa biodisponibilidade (gema de ovo, crustáceos).
A produção de luteína a partir de microalgas pode evitar esses problemas. As microalgas podem acumular concentrações consideráveis de biomassa e acumular luteína sob condições de cultivo adequadas. Como um carotenóide xantofílico primário, a luteína é um pigmento antena no complexo coletor de luz (LHC) do aparato fotossintético das microalgas. Quando a intensidade luminosa é muito alta, a luteína pode reduzir os danos oxidativos por meio da supressão não fotoquímica (NPQ). Assim, a iluminação é um fator ambiental chave para o acúmulo de luteína.
Em comparação com a luteína originada do calêndula, a luteína em microalgas existe na forma livre. A viabilidade e a competitividade econômica do uso de microalgas para substituir a flor de calêndula na produção de luteína têm sido amplamente discutidas, incluindo custo de colheita, métodos de extração e processamento e análise de biodisponibilidade. Até agora, muitos subgêneros de microalgas foram investigados para produção de luteína, como Scenedesmus, Chlorella, Coccomyxa, Parachlorella e Tetraselmis.
Para alcançar tanto alto conteúdo quanto produtividade de carotenoides a partir de microalgas, vários fatores de cultivo são considerados globalmente, incluindo modo trófico, fonte de carbono, alimentação em lote, operação semicontínua, intensidades de luz e ciclos claro/escuro, etc. A mixotrofia é popular na produção de luteína a partir de várias microalgas capazes de captar glicose, como Chlorella minutissima, Chlorella sorokiniana MB-1-M12 e Chlorella sp. GY-H4. A produção de luteína de Chlorella sp. GY-H4 sob 20 g/L de glicose (10,5 mg/L/dia, 63 mg/L) foi maior do que sob 10 g/L de glicose (7,3 mg/L/dia, 44 mg/L). Ao adicionar NaAc, Chlorella sorokiniana MB-1-M12 pode acumular 7,39 mg/g de peso seco (PS) de luteína. O cultivo em duas etapas, como o processo mixotrófico-fotoautotrófico de Chlorella sorokiniana FZU60, também alcançou uma produção eficiente de 8,25 mg/L/dia. Além disso, resíduos alimentares, resíduos de cama de aves e águas residuais têm sido aplicados no cultivo de microalgas para reduzir custos. Uma microalga recentemente isolada, Parachlorella sp. JD-076, apresenta alta produtividade de luteína a 25 mg/L/dia através da regulação da iluminação e do fornecimento de CO2. Os resultados da produção satisfatória de luteína a partir de microalgas estão resumidos na Tabela 2, com detalhes de conteúdos e produtividades.
2.2.2. Astaxantina
A astaxantina (3, 3′-dihidroxi-β, β’-caroteno-4, 4′-diona) é um pigmento natural existente em várias espécies de aquiculturas. É reconhecida como o antioxidante natural mais forte, sendo 65 vezes mais potente que a vitamina C e 10 vezes maior que outros carotenoides. A astaxantina tem sido amplamente aplicada em alimentos funcionais, produtos farmacêuticos e cosméticos, com seu excepcional potencial na eliminação de radicais livres e suas propriedades antienvelhecimento, anti-inflamatórias, anti-hipertensivas e anticancerígenas.
Atualmente, o mercado de astaxantina é majoritariamente ocupado por produtos quimicamente sintetizados. Trata-se de uma mistura de três estereoisômeros, a saber (3R,3′R), (3R, 3′S) e (3S, 3′S) astaxantina na proporção de 1:2:1, que é estruturalmente heterogênea e ineficiente para absorção biológica. Por enquanto, a astaxantina derivada de microalgas ocupa apenas 1% do mercado atual de astaxantina. Além disso, o custo de produção da astaxantina natural (USD 1800/kg) é muito maior do que o da sintetizada quimicamente (USD 1000/kg). Assim, melhorar a produtividade de astaxantina por microalgas é essencial para a comercialização.
A astaxantina derivada de microalgas foi aprovada com sucesso pela Food and Drug Administration (FDA) para consumo humano direto. Em microalgas, a astaxantina é um carotenóide secundário acumulado sob adversidade. Ela pode mediar o desequilíbrio redox celular para que as microalgas sobrevivam ao estresse oxidativo. Quanto à atual fonte principal de astaxantina natural, a Haematococcus pluvialis pode acumular até 5% do peso seco (PS) de astaxantina com cultivo aderido e tem sido utilizada na indústria biotecnológica para produção de astaxantina com um rendimento anual de 300 toneladas de biomassa. Sob condições adversas de crescimento, a H. pluvialis se transforma de células verdes e móveis em cistos vermelhos com alto teor de astaxantina. Muitas pesquisas exploraram estratégias para impulsionar o acúmulo de astaxantina, como deficiência de nutrientes, alta luminosidade, adição de produtos químicos extras e algumas estratégias combinadas.
Chromochloris zofingiensis é outro candidato promissor para a produção de astaxantina. Em comparação com H. pluvialis, C. zofingiensis pode captar glicose como fonte de carbono e atingir alta concentração de biomassa em mixotrofia. Tem atraído muita atenção por sua ampla capacidade de produzir carotenóides, lipídios e exopolissacarídeos sob diferentes condições. O teor de astaxantina em C. zofingiensis pode chegar a 6,5 mg/g PS, e as características biotecnológicas robustas de C. zofingiensis podem ser competitivas como um organismo melhor para a produção de astaxantina em larga escala. Os resultados da produção satisfatória de astaxantina a partir de microalgas estão resumidos na Tabela 2 com detalhes de teores e produtividades.
2.2.3. β-Caroteno
β-caroteno (C40H56) é um carotenóide hidrocarboneto puro e existe comumente em plantas (abóboras, manga, cenouras, etc.), fungos (Phaffia rhodozyma) e algas. É lipossolúvel e serve como precursor da Vitamina A no corpo humano, beneficiando o tratamento da cegueira noturna. Atualmente, o β-caroteno é amplamente utilizado em alimentos e medicamentos por suas excelentes propriedades antioxidantes, anticardiovasculares e de reforço imunológico. Embora o β-caroteno sintético quimicamente seja de baixo custo, o β-caroteno natural é mais aceitável para os consumidores.
β-caroteno é um carotenóide primário em microalgas, responsável por transferir energia luminosa para as clorofilas para expandir o espectro de absorção de luz. Além disso, é também o primeiro produto de alto valor comercializado a partir de microalgas. O β-caroteno de microalgas foi aprovado pela FDA para consumo humano direto.
A microalga marinha D. salina pode acumular β-caroteno em até 13% do peso seco (PS) quando induzida por diferentes fatores de estresse, como alta luminosidade, alta temperatura, privação de nutrientes e alta salinidade, sendo a principal fonte de β-caroteno natural. Como a D. salina é capaz de crescer em alta salinidade, o cultivo de D. salina em água do mar com alto rendimento de β-caroteno é lucrativo, podendo também evitar a contaminação por microrganismos. Além disso, muitas espécies de microalgas podem sintetizar β-caroteno. Chlorella zofingiensis, Spirulina platensis e Caulerpa taxifolia acumulam β-caroteno com um rendimento médio de 0,1–2% do PS. Estudos mostraram que o teor de β-caroteno da Spirulina é 10 vezes maior que o da cenoura. Um mutante C. zofingiensis bkt1 pode acumular altas quantidades de três carotenoides, como luteína (13,81 mg/g PS), β-caroteno (7,18 mg/g PS) e zeaxantina (7,00 mg/g PS) sob alta luminosidade e estresse salino. Resultados satisfatórios da produção de β-caroteno a partir de microalgas estão resumidos na Tabela 2, com detalhes dos teores e produtividades.
Além disso, os perfis do β-caroteno quimicamente sintetizado e derivado de microalgas são diferentes. O β-caroteno sintético possui apenas o isômero (all-E). Em contraste, o β-caroteno da D. salina contém principalmente três isômeros: (all-E)-β-caroteno (42%), (9Z)-β-caroteno (41%), (15Z)-β-caroteno (10%) e outros (6%). Como o (9Z)-β-caroteno desempenha um papel fundamental na antioxidação, as microalgas têm potencial para produzir β-caroteno natural de baixo custo e mais seguro para biofunções mais fortes.
2.2.4. Zeaxantina
A zeaxantina é um pigmento xantofílico presente nos olhos e na pele humanos. Juntamente com a luteína, a zeaxantina se acumula na córnea como pigmento macular, protegendo a membrana retiniana da luz azul e melhorando a acuidade visual. A zeaxantina também tem potencial como antioxidante, anti-inflamatório e para a prevenção de doenças neurológicas. Milho, pimentões alaranjados e cebolinhas cozidas são boas opções para ingestão alimentar, embora seus teores sejam relativamente baixos, em 16,3, 16,7 e 24,9 μg/g, respectivamente.
Atualmente, a flor de calêndula é aplicada na produção comercial de zeaxantina. O teor de zeaxantina em diferentes espécies de pétalas de calêndula varia de 10 a 300 μg/g. À medida que o número global de pessoas que sofrem de Degeneração Macular Relacionada à Idade (DMRI) aumenta, a demanda por fontes naturais com maior produtividade de zeaxantina está crescendo. A alga verde marinha Chlorella ellipsoidea produz zeaxantina (4,26 mg/g PS), nove vezes mais do que a produzida pelo pimentão vermelho. Além disso, a zeaxantina derivada de microalgas existe parcialmente na forma livre, em vez de mono/di-ésteres em flores e frutos de plantas. Assim, as microalgas são fontes mais valiosas para o processamento de zeaxantina com maior produtividade e biodisponibilidade.
A produção de zeaxantina a partir de microalgas é atrativa e varia dependendo da espécie de microalga e dos fatores de cultivo. A condição de luz favorável para a zeaxantina varia entre as espécies de microalgas. O teor de zeaxantina de C. zofingiensis bkt1 (5,69 ± 0,45 mg/g DW) foi fortemente aumentado pela luz alta em comparação com o controle de luz baixa (0,34 ± 0,04 mg/g DW). Sob luz alta, combinada com privação de nitrogênio, C. zofingiensis bkt1 pode acumular 7,00 ± 0,82 mg/g DW. No entanto, a luz alta nem sempre é preferida para que as microalgas acumulem zeaxantina. Um mutante D. salinazea1 pode acumular 5,9 mg/g DW de zeaxantina sob luz baixa contínua (100 μmol fótons m−2 s−1), valor superior ao transferido para luz alta (4,18 mg/g DW). Como D. salina cresce bem em meio hipersalino, o cultivo desta linhagem com água do mar é potencialmente lucrativo. Os resultados da produção satisfatória de zeaxantina a partir de microalgas estão resumidos na Tabela 2, com detalhes sobre teores e produtividades.
Além disso, o processamento downstream da zeaxantina precisa de mais atenção, como extração e separação. Sistemas de solventes apresentam diferentes eficiências na extração de zeaxantina de microalgas, e a extração máxima de zeaxantina (30,2 mg/g DW) foi em clorofórmio:metanol (1:2). A extração líquida pressurizada também foi aplicada para extrair zeaxantina de C. ellipsoidea. Mais importante ainda, a zeaxantina compartilha estruturas químicas semelhantes à luteína. Huang et al. desenvolveram um método eficiente para a separação de zeaxantina e luteína por cromatografia líquida de ultra-alta eficiência (UHPLC) equipada com uma coluna Waters YMC Carotenoid C30.
2.2.5. Fucoxantina
A fucoxantina é um carotenóide natural que ocupa quase 10% da produção total de carotenóides naturais. A produção global de fucoxantina foi de cerca de 500 toneladas em 2016 e estimou-se que aumentasse ainda mais a uma taxa anual de 5,3%. Conforme mostrado na Figura 2, possui uma estrutura molecular única com uma ligação alênica, uma carbonila conjugada, um 5,6-monoepóxido e grupos acetila. A fucoxantina e seus derivados mostraram potenciais efeitos anticancerígenos, anti-inflamatórios e antiobesidade.
Atualmente, as principais fontes naturais de fucoxantina dependem de algumas espécies de macroalgas, como Laminaria japonica e Undaria pinnatifid, que são comuns nas dietas asiáticas para suplementação de iodo. No entanto, os teores de fucoxantina nessas macroalgas são relativamente baixos (0,02–0,58 mg/g de peso fresco) e não são viáveis para comercialização. As microalgas crescem mais rápido que as macroalgas, com maior produtividade de carotenóides. A fucoxantina é um carotenóide primário de captação de luz que transfere energia para o LHC com alta eficiência (>80%) e também pode proteger as microalgas da luz alta devido à sua propriedade antioxidante interna. Até agora, a pesquisa sobre a produção de fucoxantina a partir de microalgas ainda é relativamente escassa.
As microalgas são candidatas potenciais para a produção de fucoxantina. A fucoxantina existe principalmente nos grupos de algas heterocontes e haptófitas (>20.000 espécies, especialmente em Synurophyceae (até 26,6 mg/g DW), diatomáceas (até 21,67 mg/g DW) e Prymnesiophyceae (até 18,23 mg/g DW). Sob baixa intensidade luminosa, os esqueletos de carbono são desviados para carotenoides, especialmente fucoxantina em Isochrysis zhanjiangensis, que pode produzir 23,29 mg/g DW de fucoxantina. A diatomácea marinha Odontella aurita pode acumular 18,47 mg/g DW de fucoxantina em meio rico em nitrogênio sob baixa luminosidade. Além disso, a fucoxantina purificada de O. aurita é (all-E)-fucoxantina, que possui forte capacidade antioxidante e biodisponibilidade. Maria et al. isolaram uma nova cepa Mallomonas sp. (Synurophyceae) com o maior teor conhecido de fucoxantina, 26,6 mg/g DW. A maior produtividade de fucoxantina já relatada foi encontrada em Tisochrysis lutea com 9,81 mg/L/dia em cultivo em lote com diluição quimiostática contínua.
A diatomácea Phaeodactylum tricornutum também possui um alto teor de fucoxantina, com 16,33 mg/g DW. Como P. tricornutum é um sistema modelo para investigações e seu genoma foi sequenciado, espera-se em um futuro próximo maiores explorações de genes-chave relacionados à fucoxantina, mutantes hiperacumuladores de fucoxantina e modificações genéticas de diatomáceas para a produção de fucoxantina. Os resultados da produção satisfatória de fucoxantina a partir de microalgas estão resumidos na Tabela 2, com detalhes dos teores e produtividades.
3. Tratamento por Estresse Salino para Produção de Carotenoides a partir de Microalgas
As microalgas possuem sistemas metabólicos flexíveis, o que significa que mudanças ambientais externas afetarão os componentes bioquímicos das células de microalgas. Fatores de estresse, como alta intensidade luminosa, salinidade, privação de nitrogênio e temperaturas altas/baixas, provocarão alterações metabólicas nas microalgas e levarão a diferentes composições celulares.
Embora a produção de carotenoides possa ser impulsionada por vários fatores de estresse abiótico ambiental, o tratamento por estresse salino é muito mais atraente porque é barato, fácil de operar e tem grande valor de comercialização para o cultivo de microalgas em água do mar. Aqui, elucidamos as contribuições da salinidade no cultivo de microalgas e na produção de carotenoides e resumimos as estratégias atuais de tratamento por estresse salino na produção de carotenoides.
3.1. Respostas das Microalgas ao Estresse Salino
O estresse salino é um dos principais estresses abióticos que diminuem a produtividade agrícola em todo o mundo. A salinidade inibe o crescimento, desenvolvimento, germinação de sementes e rendimento das plantas. Em contraste, as plantas desenvolveram estratégias para se adaptar a altas concentrações de sal, como a regulação de hormônios de estresse e hormônios de crescimento para equilibrar o crescimento e as respostas ao estresse. Atualmente, a pesquisa sobre estresse salino é mais aprofundada e abrangente em plantas superiores, mas existem poucos estudos em microalgas.
Devido à alta taxa de crescimento das microalgas e à sua riqueza em produtos de alto valor, o cultivo em larga escala de microalgas é imperativo atualmente. As microalgas são amplamente distribuídas no oceano e na água doce, enquanto o estresse salino ainda é uma ameaça à produção em larga escala de microalgas de água doce. Como os recursos de água doce estão se tornando escassos hoje, o cultivo de microalgas de água doce com água do mar é de grande importância. Por outro lado, o estresse salino adequado mostra efeitos promotores no acúmulo de metabólitos secundários (como carotenoides secundários e lipídios). Portanto, é de grande importância estudar a resposta das microalgas ao estresse salino. As possíveis respostas nas células de microalgas causadas pelo estresse salino estão resumidas na Figura 3.
O estresse salino pode afetar as microalgas em múltiplos níveis, como características fisiológicas, expressão gênica e vias metabólicas. O estresse salino pode reduzir o crescimento celular, diminuir o teor de clorofila, inibir a fotossíntese e causar alterações morfológicas nas microalgas. Sob estresse salino, a parede celular de H. pluvialis engrossa, o volume celular aumenta e gradualmente se transforma em cistos imóveis. Essas alterações morfológicas estão relacionadas a uma série de sinalização aprofundada e mudanças a jusante, tanto em aspectos genéticos quanto metabólicos.
3.1.1. Sinalização Precoce
O Ca2+ é considerado um segundo mensageiro universal para os sinais primários de estresse, atuando em tempo real em resposta ao desequilíbrio da homeostase iônica celular sob estresse de NaCl em plantas. Semelhante às plantas, o estresse salino pode provocar um aumento temporário na concentração de Ca2+ citosólico ([Ca2+]cit), que pode regular a atividade de proteínas efetoras a jusante, como calmodulina (CaM), proteínas quinases dependentes de Ca2+ e proteínas quinases dependentes de CaM. Além disso, a descarboxilação do glutamato para ácido γ-aminobutírico (GABA) foi regulada pela proteína Ca2+/CaM.
O GABA é uma molécula de sinalização endógena recentemente identificada em plantas, participando do crescimento celular e aumentando a tolerância ao estresse abiótico. É um aminoácido não proteico derivado da descarboxilação do glutamato, e o GABA exógeno pode aumentar a resistência das plantas ao estresse abiótico ativando as vias alternativas do GABA e o ciclo do TCA. Sob estresse salino, o GABA ajuda a manter o equilíbrio C/N e até atua como um removedor de ROS tóxicas. Também está relacionado ao acúmulo de óxido nítrico (NO) sob condições de estresse, pois amplifica a sinalização de estresse do NO.
O NO é uma molécula importante envolvida no crescimento, desenvolvimento e tolerância das plantas ao estresse abiótico. Desempenha papéis importantes na resistência à seca, temperatura (alta ou baixa), radiação UV-B e estresse por metais pesados. O NO também pode atuar como um sinal na ativação da defesa enzimática antioxidante contra o estresse oxidativo induzido pelo estresse salino. Ao aplicar doadores de NO, como nitroprussiato de sódio, plantas sob condições de estresse apresentaram restauração da clorofila para recuperar seu sistema fotossintético danificado.
Espécies reativas de oxigênio (ROS) também são segundos mensageiros induzidos pelo estresse salino, que também está associado à sinalização de Ca2+. ROS é um indicador de estresse em resposta ao estresse abiótico de microalgas, que pode regular o crescimento celular e a síntese de metabólitos. ROS tóxicas levarão à peroxidação lipídica, deterioração da membrana, danos ao DNA e às proteínas. Para eliminar o excesso de ROS, enzimas antioxidantes (como superóxido dismutase e catalase) e antioxidantes (como carotenoides) em microalgas são dois mecanismos essenciais evoluídos pelos organismos.
3.1.2. Sinalização a Jusante
Os sinais induzidos pela salinidade podem então ter efeitos na expressão gênica das células de microalgas, que está relacionada às concentrações de sal. Baixa concentração de sal pode promover o crescimento de algumas microalgas, como culturas de Scenedesmus sp., Botryococcus braunii e H. pluvialis. O tratamento de H. pluvialis com baixa dose de NaCl (12,5 mg/L) mostrou um efeito promotor na concentração de biomassa (28% maior) e na produtividade (de 0,15 d−1 a 0,22 d−1). Esses efeitos foram relacionados à regulação positiva de genes relacionados ao crescimento, como rbcL, rbcS e o gene da nitrato redutase (NR).
Sob estresse salino de alta dose, tanto a homeostase iônica quanto a osmótica precisam ser mantidas. Quanto à microalga halotolerante D. salina, a osmoregulação sob estresses osmóticos pode ser dividida em dois mecanismos. Um é manter as concentrações intracelulares de Na+ e K+ pelo sistema de transporte de elétrons (redox) da membrana plasmática, como as bombas de Na+-ATPase e K+, e o outro é regular as concentrações de glicerol no interior para manter o potencial hídrico dentro e fora das células. O acúmulo de glicerol como substância solúvel é uma estratégia das microalgas para manter a homeostase osmótica sob estresse salino, o que foi demonstrado em C. reinhardtii e C. zofingiensis. O estresse salino também pode regular positivamente os genes relacionados ao catabolismo do amido (como a piruvato quinase, PK) e regular negativamente os genes da gliconeogênese (como a fosfoenolpiruvato carboxiquinase, PEPCK), fornecendo mais blocos de construção para lipídios de armazenamento (ácidos graxos e triacilglicerol, TAGs) e carotenoides em C. zofingiensis. A expressão da acetil-coenzima A carboxilase (ACCase) induzida por sal para a síntese de ácidos graxos também foi demonstrada em Chlamydomonas sp., Chlorella sp. e Nitzschia sp..
Abordagens ômicas como genômica, transcriptômica e metabolômica também são aplicadas para revelar as mudanças que ocorrem sob estresse salino. Ao analisar genes diferencialmente expressos (DEGs) sob estresse, fatores de transcrição (TFs), como mieloblastose (MYB), WRKY e hélice-alça-hélice básica (bHLH), são demonstrados como importantes na regulação da expressão gênica sob salinidade. As respostas das microalgas à salinidade de baixa e alta dose são mostradas na Tabela 3.
3.2. Estratégias de Estresse Salino para Acúmulo de Carotenoides
A produção de carotenoides pode ser afetada pelo estresse abiótico ambiental. Sob estresse salino, os carotenoides se acumulam e protegem as células como antioxidantes para aumentar a possibilidade de sobrevivência das microalgas. Além disso, a condição salina ideal varia entre diferentes espécies de microalgas. Após tratamento com NaCl (1%, 0,17 M) por 10 dias, o teor de astaxantina de H. pluvialis subiu de 3,53 mg/g para 17,7 mg/g. C. zofingiensis CCAP 211/14 pode tolerar concentração moderada de NaCl de 100 mM, e um aumento significativo no teor de astaxantina foi observado sob tratamento com 200 mM de NaCl. A condição ideal para obter a maior quantidade de fucoxantina (79,40 ± 0,95 mg/g de PS) de Tisochrysis lutea foi determinada como adição de 36,27 g/L de sal.

Como as condições ideais para o crescimento celular geralmente são diferentes daquelas para o acúmulo de metabólitos secundários, o cultivo em duas etapas tem sido amplamente aplicado no cultivo de microalgas, uma estratégia potente para equilibrar o crescimento celular e o acúmulo de metabólitos. A microalga eucariótica acidofílica Coccomyxa onubensis pode suportar estresse salino moderado e serve como um recurso potencial para a produção de luteína. Sua taxa de crescimento e produtividade de biomassa foram significativamente aumentadas sob tratamento salino (100 mM de NaCl). Ao adicionar 500 mM de NaCl, o teor de luteína foi significativamente aumentado em 47%, para 7,80 mg/g de PS, embora o crescimento celular tenha sido inibido. Assim, culturas contendo 100 mM de sal podem ser aplicadas na primeira etapa para maior biomassa, e então sal extra foi adicionado para induzir o acúmulo de luteína na segunda etapa.

Além disso, o estresse salino também pode ser combinado com outros tratamentos para aumentar o acúmulo de carotenoides em microalgas. A indução por luz e a privação de nutrientes são métodos amplamente utilizados para impulsionar a produção de carotenoides. Combinado com alta luminosidade, o tratamento com salinidade aumentou o rendimento de astaxantina de C. zofingiensis em 7,53 vezes em comparação com o controle. D. salina foi capaz de se adaptar a NaCl variando de 0,05 a 5,5 M e o teor de β-caroteno de D. salina atingiu 13% do PS sob estresse salino, combinado com alta luminosidade em alta temperatura.
A adição de produtos químicos também pode aumentar o acúmulo de carotenoides sob estresse salino. O fotocatalisador TiO2 pode aumentar o acúmulo de zeaxantina sob estresse salino em Coelastrella sp. ao aumentar o estresse oxidativo. A concentração máxima de zeaxantina (13,2 ± 4,4 mg/g PS) foi alcançada sob alta salinidade (3% NaCl) e privação de nitrogênio a 40 °C após tratamento com TiO2. Uma quantidade de 0,25 mM de ácido gama-aminobutírico (GABA) pode facilitar a produtividade de astaxantina em 3,24 vezes em H. pluvialis sob alta luminosidade com tratamento de salinidade (2 g/L). A adição de melatonina (MT) aumentou a expressão de genes carotenogênicos de H. pluvialis e induziu o acúmulo de astaxantina em 1,20 vez sob privação de nitrogênio e estresse salino (1 g/L). O tratamento com NaCl também pode amplificar o efeito do ácido linoleico (LA) no aumento do acúmulo de astaxantina em Chlorella sorokiniana, e o LA pode aumentar o teor de astaxantina em 1,25 vez na presença de 20% de NaCl (p/v). As estratégias com tratamento de salinidade para aumentar o acúmulo de carotenoides em microalgas estão resumidas na Tabela 4.

Em resumo, o estresse salino moderado pode aumentar a produtividade de biomassa e induzir o acúmulo de carotenoides, dependendo da espécie de microalga, enquanto o estresse severo será tóxico e até fatal para as microalgas. Como tanto a alta densidade celular quanto a produtividade de carotenoides são desejáveis para objetivos biotecnológicos, uma concentração ideal de sal deve ser escolhida cuidadosamente de acordo com diferentes objetivos de cultivo e espécies de microalgas. O cultivo em duas etapas ou em múltiplas etapas e estratégias que combinam salinidade com outros fatores de estresse também têm potencial no cultivo de microalgas para carotenoides.

4. Aplicações Potenciais da Internet das Coisas (IoT) na Produção de Carotenoides

A Internet das Coisas (IoT) é um enorme ecossistema que conecta coisas, máquinas e humanos, a qualquer hora e em qualquer lugar. Como a terceira onda da indústria mundial de informação, a IoT tem despertado um interesse crescente de pesquisa em várias áreas, como a cadeia de abastecimento alimentar, aplicações de saúde e agricultura de precisão. O número de dispositivos IoT em todo o mundo está previsto para atingir 75 bilhões até 2025. Considerando suas experiências bem-sucedidas na agricultura e suas vantagens como um sistema de dados abrangente, eficiente e inteligente em tempo real de trabalhos, a IoT também mostra competitividade na biorrefinaria de microalgas.
A biorrefinaria de microalgas pode ser dividida em duas categorias consecutivas, o processamento upstream e o processamento downstream. O processamento upstream concentra-se principalmente no cultivo de alta densidade de microalgas selecionadas e na regulação e otimização do processo de cultivo, como a escolha do modo trófico adequado e das condições de luz. O processamento downstream inclui principalmente a colheita de microalgas, a separação e extração de produtos-chave e o processamento subsequente para produzir produtos derivados de microalgas. A IoT, como uma rede ubíqua e enorme, pode ser perfeitamente combinada com biotecnologias tradicionais na biorrefinaria de microalgas. Conforme mostrado na Figura 4, tanto os eventos upstream quanto downstream são conectados e coletados, e todas as informações serão então processadas pela plataforma IoT. Então, como a IoT pode ser aplicada na produção de carotenoides derivados de microalgas?

Para o processamento upstream da produção de carotenoides, sensores são indispensáveis para o monitoramento de dados. Técnicas tradicionais de detecção (como medição de biomassa, tamanho celular, etc.) são demoradas, propensas a causar contaminação da cultura e não conseguem obter dados em tempo hábil. Em comparação, sensores online podem monitorar o crescimento de microalgas para obter dados em tempo real, calcular variáveis não medidas e até mesmo prever modelos de crescimento.

Por exemplo, H. pluvialis é relativamente sensível ao ambiente de cultivo; seu crescimento e composição celular podem se desviar muito das expectativas sem ajustes cuidadosos. A possível contaminação durante a amostragem pode perturbar seu crescimento. Além disso, a deficiência de nutrientes pode levá-la a uma estrutura cística e fazê-la começar a acumular astaxantina e outros metabólitos secundários. Nesse caso, sensores online inovadores podem monitorar seu crescimento em vários aspectos. Sensores de densidade óptica (DO) podem determinar biomassa e oxigênio dissolvido (OD) em tempo real, sensores de CO2 podem rastrear a atividade metabólica, sensores de pH e sensores de nitrato e fósforo podem garantir um ambiente adequado e suficiência de nutrientes; todos estes podem ser aplicados para garantir o cultivo de alta densidade de H. pluvialis. Além disso, a IoT também pode atuar como base de um sistema de suporte à decisão. Ao combinar os dados dos sensores com modelos de simulação, a plataforma IoT pode prever tendências de crescimento e fornecer sugestões de cultivo para maximizar a produção de biomassa. Posteriormente, unidades de automação da IoT são essenciais para realizar a depuração de condições no momento certo após a análise de dados, como uma estratégia de alimentação adequada. Quanto ao cultivo com tratamentos de estresse salino, a IoT facilitará a escolha do momento certo para aplicar a pressão de salinidade na densidade celular adequada de microalgas.
Para o processamento downstream da produção de carotenoides, é particularmente crítico distinguir as células microalgais de outros contaminantes no meio de cultura. Como os turbidímetros tradicionais detectam tanto células microalgais quanto poluentes, os resultados das medições frequentemente não são suficientemente precisos. Como a fluorescência vem apenas do pigmento clorofila das células vivas, sensores convenientes de fluorescência de clorofila foram projetados e amplamente aplicados na detecção in situ de células microalgais com alta eficiência e precisão.
Tome a produção de astaxantina a partir de C. zofingiensis como exemplo. C. zofingiensis pode sintetizar astaxantina em condições adversas e armazená-la em gotículas lipídicas. Como pode absorver glicose para crescimento rápido, é mais provável que seja contaminada por bactérias durante o processo de cultivo real. Sensores de fluorescência de clorofila podem separar visivelmente microalgas de bactérias e detritos celulares, o que pode ser aplicado na quantificação de microalgas. Além disso, o conteúdo de bioprodutos pode ser detectado in situ de forma não invasiva, como com um observador de triacilglicerídeos (TAG). Quanto ao cultivo com tratamentos de estresse salino, a IoT facilitará a distinção de detritos celulares sob estresse salino para colher e quantificar com precisão as células microalgais, e um observador de TAG também pode exibir o conteúdo de astaxantina para obter uma avaliação preliminar das produtividades. A IoT, como sistema inteligente, também pode escolher o melhor método de extração após a separação do produto alvo, o que economiza tempo, garantindo pureza e eficiência de extração.
5. Perspectivas Futuras
5.1. Modificações Genéticas de Microalgas para Tolerância ao Sal e Acúmulo de Carotenoides
As microalgas são amplamente distribuídas e numerosas, e apenas uma pequena parte delas foi estudada. Portanto, ainda existem inúmeras espécies novas de microalgas que podem ser capazes de tolerar salinidade e acumular carotenoides. Aqui, focamos principalmente em três métodos para obter linhagens de microalgas esperadas: (1) evolução adaptativa, (2) mutagênese aleatória e (3) engenharia genética direcionada.
Diferente do isolamento de linhagens, a evolução adaptativa pode obter uma linhagem esperada com um fenótipo alvo. A evolução adaptativa tem sido amplamente utilizada para melhoria de linhagens quanto à tolerância ao estresse em várias espécies de microalgas, como C. reinhardtii para tolerância a 200 mM de sal e Chlorella sp. para alta concentração de fenol. Foi realizada para melhorar a tolerância de uma linhagem de água doce Chlorella sp. AE10 a 30 g/L de sal por 138 dias (46 ciclos). Os genes da linhagem resultante Chlorella sp. S30 relacionados ao ciclo de Calvin-Benson, ao ciclo do ácido C4-dicarboxílico e às vias do metabolismo ácido das crassuláceas (CAM) foram regulados positivamente, o que foi benéfico para a fixação de CO2 sob estresse salino. No entanto, a aclimatação à salinidade das microalgas envolve diferentes genes funcionais e numerosas vias, o que torna a exploração de genes específicos na tolerância ao sal mais difícil.
Mutagênicos químicos, como N-metil-N’-nitro-N-nitrosoguanidina (MNNG) e etil metano sulfonato (EMS), são eficazes na geração de mutantes e podem levar a mutantes com acúmulo aprimorado de carotenoides. Quando genes na via de síntese de carotenoides (mostrada na Figura 1) são mutados, os perfis de carotenoides em microalgas podem mudar. Por mutagênese química com EMS, o conteúdo de carotenoides em Coelastrum sp. C1-G1 foi aumentado cerca de 2 vezes em relação à sua linhagem parental. A linhagem superprodutora de astaxantina H. pluvialis MT 2877 é um mutante por MNNG, que produziu 4 vezes mais astaxantina do que a linhagem selvagem. C. zofingiensis bkt1, um mutante químico por MNNG, pode acumular altas quantidades de três carotenoides essenciais, como zeaxantina (7,00 ± 0,82 mg/g), luteína (13,81 ± 1,23 mg/g) e β-caroteno (7,18 ± 0,72 mg/g) sob diferentes condições de cultivo, o que pode servir como uma opção competente para cultivo em larga escala. Chlorella sp. foi irradiada com raio gama de 137Se e domesticada com um meio de cultura de água do mar (salinidade 3% p/p) sob estresse de 15% de CO2. O rendimento de biomassa do mutante foi aumentado em 25% com 54,9% de peso seco de lipídios. Embora a mutagênese aleatória possa levar a características inovadoras, características imprevisíveis também podem aparecer, e os genes mutados ainda precisam de verificação adicional, como sequenciamento gênico, nocaute e retro-complementação.
A engenharia genética direcionada pode gerar inserções, deleções ou substituições específicas no genoma hospedeiro, evitando resultados aleatórios. Até agora, muitos genes relacionados a respostas ao sal foram reconhecidos, como nhaP que codifica um antiportador Na+/H+, codA que codifica colina oxidase para sintetizar solutos compatíveis e Dps que codifica proteínas de ligação ao DNA (Dps). Suas linhagens de introdução ou superexpressão mostraram capacidades aprimoradas de tolerância ao sal e potenciais para cultivo em água do mar, que foram extensivamente revisadas.
A engenharia genética de microalgas para hiperacúmulo de carotenoides é agora uma tecnologia madura. A engenharia genética da alga verde C. zofingiensis com um gene endógeno pds resistente à norflurazona modificado resultou em até 54,3% mais astaxantina. A transformação e expressão dos genes dxs e psy em P. tricornutum podem aumentar o conteúdo de fucoxantina em 2,4 vezes e 1,8 vezes, respectivamente. H. pluvialis também pode atuar como doador de genes. D. salina transgênica com genes bkt e chyb de H. pluvialis foi capaz de biossíntese de astaxantina com melhor tolerância à luz intensa.
Atualmente, várias sequências de genomas de microalgas estão disponíveis em bancos de dados públicos, como C. reinhardtii, Chlorella variabilis, Nanochloropsis graditana, C. zofingiensis, etc. Isso oferece oportunidades valiosas para a engenharia de precisão. Novas ferramentas moleculares têm sido aplicadas para modificar características de microalgas, incluindo sistemas avançados de edição genômica, como repetições palindrômicas curtas regularmente espaçadas e proteínas associadas (CRISPR-Cas), nuclease efetora do tipo ativador de transcrição (TALEN), nuclease de dedo de zinco (ZFN) e interferência por RNA (RNAi). Por exemplo, o silenciamento do gene da zeaxantina epoxidase (zep) em C. reinhardtii usando mutagênese mediada por RNP de CRISPR-Cas9 livre de DNA pode aumentar o teor de zeaxantina em 56 vezes.

5.2. Coprodução de Carotenoides com Produtos de Valor Agregado a partir de Microalgas

Lipídios e diversos carotenoides (como a astaxantina) são metabólitos secundários de microalgas sob condições adversas, o que significa que certas condições estimulantes podem promover o acúmulo de dois produtos simultaneamente. Em H. pluvialis, a astaxantina esterificada por AGs é armazenada em corpúsculos lipídicos, onde também se localizam os TAGs. Além disso, a biossíntese de AGs e TAG demonstrou estar correlacionada com a biossíntese de astaxantina em H. pluvialis. Ao adicionar 6 μM de Cu²⁺, o teor de astaxantina e lipídios aumentou em 66,87 e 34,99%, respectivamente, com genes carotenogênicos e lipogênicos sendo regulados positivamente em nível transcricional.

As microalgas também contêm ácidos graxos insaturados biofuncionais. Ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 (AGPI ômega-3) de microalgas, como o ácido eicosapentaenoico (EPA, C20:5) e o ácido docosahexaenoico (DHA, C22:6), demonstraram ter diversos efeitos benéficos à saúde quando ingeridos na dieta, reduzindo os riscos de doenças neurodegenerativas e distúrbios cardiovasculares. O óleo de Nannochloropsis oceanica é rico em EPA, enquanto seu teor de zeaxantina (30,2 mg/g de PS) é relativamente alto entre as espécies de microalgas, tornando-a uma espécie potencial para a coprodução de zeaxantina e EPA. O. aurita também contém altas concentrações de EPA (28% do total de ácidos graxos), o que já foi confirmado para cultivo em larga escala em tanques abertos, tornando-a competente para produzir tanto fucoxantina (18,47 mg/g de PS) quanto EPA.

Além disso, a coprodução de fucoxantina e DHA é viável em microalgas. O gênero de algas marinhas Isochrysis é rico em DHA e permite fácil extração de DHA e fucoxantina, pois não possui parede celular. Sun et al. selecionaram 16 linhagens de Isochrysis para a produção de DHA e fucoxantina, e Isochrysis CCMP1324 em cultivo semicontínuo se destaca com produtividades de 9,05 e 7,96 mg/L/dia de DHA e fucoxantina, respectivamente. I. zhanjiangensis acumulou tanto alto teor de fucoxantina (23,29 mg/g de PS) quanto de ácido estearidônico (SDA, 17,16% do total de ácidos graxos), que é o precursor comum de EPA e DHA.
Além disso, tanto as estratégias de cultivo quanto os métodos de extração eficientes merecem destaque. Como a zeaxantina e os lipídios são solúveis em solventes orgânicos, a escolha de um sistema de extração eficiente, como hexano:metanol (3:2), pode alcançar a melhor eficácia de extração tanto para EPA (36,4 mg/g PS) quanto para zeaxantina (28,2 mg/g PS), o que também evita o uso de clorofórmio tóxico. Como a maior parte da fucoxantina estava predominantemente na fase hidroalcoólica (mais de 99%), lipídios e fucoxantina podem ser separados por este sistema bifásico após o mesmo processo de extração com solvente de etanol puro.
A biomassa residual após a extração de carotenoides de microalgas pode ser processada posteriormente para colher outros subprodutos. Sob privação de nutrientes, a D. salina acumulou β-caroteno e triglicerídeos em até 30–60% do PS. Após a extração de carotenoides, os resíduos podem ser empregados para a coprodução de biodiesel após transesterificação. Além disso, o carboidrato presente na D. salina também pode ser utilizado para a produção de bioetanol.
6. Conclusões
Nesta revisão, apresentamos de forma abrangente os carotenoides promotores de saúde em microalgas, resumimos as vias biossintéticas de carotenoides e discutimos as respostas das microalgas ao estresse salino. Avanços na aplicação da Internet das Coisas (IoT) na biotecnologia moderna e na coprodução de carotenoides com outros produtos de alto valor também foram considerados em detalhe. Através de pesquisas aprofundadas sobre os efeitos do estresse salino em microalgas, acredita-se que o cultivo de microalgas de água doce em água do mar não será mais um obstáculo no futuro. Além disso, também é importante explorar mais espécies de microalgas potencialmente tolerantes ao sal para a produção de alto rendimento de carotenoides biofuncionais.
Nota do Editor: A MDPI permanece neutra em relação a reivindicações jurisdicionais em mapas publicados e afiliações institucionais.
Contribuições dos Autores
Conceitualização, recursos e supervisão, F.C. e J.H.; preparação do rascunho original, Y.R. e J.D.; revisão e edição do texto, H.S., J.H. e F.C. Todos os autores leram e concordaram com a versão publicada do manuscrito.
Financiamento
Esta pesquisa foi financiada pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Projeto 31471717), pelo Programa de P&D de Áreas-Chave da Província de Guangdong (Nº 2018B020206001), pelo Programa de Talentos Zhujiang da Província de Guangdong (Nº 2019ZT08H476) e pela Comissão de Inovação em Ciência e Tecnologia de Shenzhen (Nº KQTD20180412181334790).
Declaração do Conselho de Revisão Institucional
Não aplicável.
Declaração de Consentimento Informado
Não aplicável.
Declaração de Disponibilidade de Dados
Não aplicável.
Conflitos de Interesse
Os autores declaram não haver conflito de interesses.
Referências
Carotenoides de fungos e microalgas: Uma revisão sobre sua produção, extração e desenvolvimentos recentes
Síntese Elevada de β-Caroteno pelo Rhodobacter sphaeroides Modificado com Expressão Aumentada de CrtY
Luteína e zeaxantina na saúde dos olhos e da pele
Carotenoides e fitoesteróis de microalgas regulam mecanismos bioquímicos envolvidos na saúde humana e na prevenção de doenças
Métodos de extração de carotenoides: Uma revisão dos desenvolvimentos recentes
Uma revisão sobre biocombustível de microalgas e biorrefinaria: Desafios e caminhos a seguir
Estratégias para uma extração e separação melhoradas de lipídios e carotenoides de leveduras oleaginosas
Carotenoides de microalgas: Uma revisão dos desenvolvimentos recentes
Efeito do estresse salino nos parâmetros fisiológicos da microalga Vischeria punctata linhagem IPPAS H-242, uma superprodutora de ácido eicosapentaenoico
Utilizando a alga verde Haematococcus pluvialis para coprodução de astaxantina e lipídios: Avanços e perspectivas
Cultivo em duas etapas de microalgas para produção de compostos de alto valor e biocombustíveis: Uma revisão
Fucoxantina e seu Metabólito Fucoxantinol na Prevenção e Tratamento do Câncer
Produção microalgal de zeaxantina
Metabolismo de Carotenoides em Plantas
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Fatores genéticos envolvidos na modulação da biodisponibilidade da luteína
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Produção sustentável de lipídios e luteína a partir da fermentação mixotrófica de Chlorella por hidrolisado de resíduos alimentares
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Investigação do Cultivo de Chlorella vulgaris UTEX 265 sob Condições de Luz e Baixa Temperatura Estressantes para Produção de Luteína em Frascos e no Fotobiorreator de Árvore Enrolada (CTPBR)
Produção em escala piloto de luteína utilizando Chlorella vulgaris
O papel da luz e do nitrogênio no crescimento e acúmulo de carotenoides em Scenedesmus sp.
A fotoindução eficaz de Haematococcus pluvialis para acumular astaxantina com cultivo aderido
Chlorella zofingiensis como Produtor Microalgal Alternativo de Astaxantina: Biologia e Potencial Industrial
Melhoramento e triagem de mutantes produtores de astaxantina de Coelastrum sp. recentemente isolado, utilizando técnica de mutagênese induzida por metanossulfonato de etila
Avaliação comparativa sobre a extração de carotenoides de fontes microalgais: Astaxantina de H. pluvialis e β-caroteno de D. salina
Uma análise comparativa de diferentes sistemas de solventes de extração sobre a extraibilidade do ácido eicosapentaenoico da eustigmatófita marinha Nannochloropsis oceanica
Fotocatalisador (TiO2) como potencializador: Uma tentativa de aumentar a produção de carotenoides e lipídios com estresses oxidativos combinados em Coelastrella sp.
Um mutante da alga verde Dunaliella salina acumula constitutivamente zeaxantina sob todas as condições de crescimento
Otimização da extração com líquido pressurizado de zeaxantina de Chlorella ellipsoidea
Produção de fucoxantina por microalgas heterocontes
Metabolismo do carbono de armazenamento de Isochrysis zhangjiangensis sob diferentes intensidades luminosas e sua aplicação para coprodução de fucoxantina e ácido estearidônico
Produção, Caracterização e Atividade Antioxidante da Fucoxantina da Diatomácea Marinha Odontella aurita
Fucoxantina como principal carotenoide em Isochrysis aff. galbana: Caracterização da extração para aplicação comercial
Otimização do processo de produção de fucoxantina com Tisochrysis lutea
Uma Potencial Fonte Comercial de Fucoxantina Extraída da Microalga Phaeodactylum tricornutum
Progresso da pesquisa sobre extração, atividades biológicas e sistemas de entrega da astaxantina natural
Microalga Verde Produtora de Astaxantina Haematococcus pluvialis: Da Célula Única a Produtos Comerciais de Alto Valor
Novas Perspectivas sobre a Produção Biotecnológica de Astaxantina Derivada de Haematococcus pluvialis: Avanços e Principais Desafios para Permitir seu Uso Industrial como Novo Ingrediente Alimentar
Microalgas como fonte alimentar futura
Ferramentas metabólicas sistemáticas revelam mecanismo subjacente da biossíntese de produtos em Chromochloris zofingiensis
Composição, cultivo e aplicações potenciais de Chlorella zofingiensis — Uma revisão abrangente
Avanços biotecnológicos na produção de β-caroteno por microrganismos
Carotenoides de Microalgas Marinhas: Uma Valiosa Fonte Natural para a Prevenção de Doenças Crônicas
Explorando e explorando o acúmulo de carotenoides em Dunaliella salina para aplicações em fábricas celulares
A Bioeconomia de Oleorresinas Ricas em Carotenoides Microalgais Produzidas em Biorrefinarias Agroindustriais
Carotenoides de calêndula: Muito mais que ésteres de luteína
Carotenoides de animais aquáticos
Produção de fucoxantina a partir de algas—Avanços recentes em estratégias de cultivo e processamento downstream
Aumento da produção de fucoxantina pela otimização do meio de cultura da microalga Tisochrysis lutea
Efeitos da fucoxantina na inflamação induzida por lipopolissacarídeo in vitro e in vivo
Preparação em escala comercial de fucoxantina biofuncional a partir de partes residuais da alga marinha marrom Laminalia japonica
Síntese total estereocontrolada de fucoxantina e seu derivado modificado na cadeia polieno
Mudanças fisiológicas e bioquímicas induzidas pela salinidade em plantas: Uma abordagem ômica para a tolerância ao estresse salino
Como os hormônios vegetais medeiam as respostas ao estresse salino
A luz intensa impulsiona a biossíntese de astaxantina e lipídios induzida pelo estresse salino na alga verde Chromochloris zofingiensis
Resposta das plantas ao estresse abiótico e eficiência no uso de nutrientes
Ondas de Ca2+ induzidas pelo estresse salino estão associadas à sinalização rápida de longa distância da raiz à parte aérea em plantas
Sinalização de Ca2+ em plantas e algas verdes—Mudando canais
O GABA reverte as respostas fotossintéticas e de crescimento inibidas pelo sal por meio de sua influência na assimilação de nitrogênio-enxofre mediada por NO e no sistema antioxidante no trigo
A absorção e utilização de nitrato é modulada pelo ácido γ-aminobutírico exógeno em plântulas de Arabidopsis thaliana
Papel do óxido nítrico na tolerância das plantas ao estresse abiótico
Efeitos do óxido nítrico exógeno na fotossíntese
Acoplamento de estresses abióticos e fitormônios para a produção de lipídios e subprodutos de alto valor por microalgas: Uma revisão
O cloreto de sódio estimula a produção de biomassa e astaxantina por Haematococcus pluvialis por meio de uma estratégia de cultivo em duas etapas
Efeito do estresse salino moderado no crescimento, composições de ácidos graxos e carotenoides, e atividades biológicas da microalga de água doce termal Scenedesmus sp.
Efeito da salinidade no crescimento da alga verde Botryococcus braunii e seus constituintes
Análise comparativa do transcriptoma das respostas de curto prazo ao estresse hiperosmótico de sal e glicerol na alga verde Dunaliella salina
Uma enzima com múltiplos domínios, com atividades de glicerol-3-fosfato desidrogenase e fosfatase, está envolvida em uma via cloroplástica para a síntese de glicerol em Chlamydomonas reinhardtii
Engenharia evolutiva de cepas de Chlamydomonas sp. resistentes ao sal revela a troca da biossíntese de amido para lipídios ativada pelo estresse salino
Explorando o mecanismo de tolerância ao estresse da cepa de água doce evoluída Chlorella sp. S30 sob 30 g/L de sal
Análise do transcriptoma e expressão gênica de uma diatomácea oleaginosa sob diferentes condições de salinidade
Comparação do acúmulo de astaxantina e expressão de genes de biossíntese de três cepas de Haematococcus pluvialis sob estresse salino
Acúmulo de astaxantina e luteína em Chlorella zofingiensis (Chlorophyta)
Produção de luteína e ácidos graxos poli-insaturados pela microalga eucariótica acidófila Coccomyxa onubensis sob estresse abiótico por sal ou luz ultravioleta
O ácido gama-aminobutírico facilita a produção simultânea de biomassa, astaxantina e lipídios em Haematococcus pluvialis sob condições de salinidade e estresse por alta luminosidade
Aprimorando a coprodução de astaxantina e lipídios em Haematococcus pluvialis pela indução combinada de reguladores de crescimento vegetal e múltiplos estresses
Efeito do ácido linoleico e do jasmonato de metila no teor de astaxantina de Scenedesmus acutus e Chlorella sorokiniana sob cultivo heterotrófico e condições de choque salino
Aplicações da IoT para alcançar sustentabilidade no setor agrícola: Uma revisão abrangente
Uma revisão sistemática da IoT na saúde: Aplicações, técnicas e tendências
Agricultura de precisão usando análise de dados da IoT e aprendizado de máquina
Como a Internet das Coisas (IoT) ajuda na biorrefinaria de microalgas?
Cultivo de microalgas para produção de biodiesel: Uma revisão sobre processamento upstream e downstream
MicrOLED-fotobiorreator: Projeto e caracterização de um fotobiorreator airlift de escala mililitro com monitoramento óptico de processo
Sensor versátil e de baixo custo baseado em múltiplos comprimentos de onda para estimativa em tempo real da concentração de biomassa de microalgas em sistemas de cultivo abertos e fechados
Sensor luminescente robusto de fibra óptica para determinação de CO2 em fotorreatores de microalgas para produção de biocombustíveis
Controle de processo não invasivo de um sistema baseado em microalgas para tratamento automatizado de águas subterrâneas agrícolas poluídas, transferido do desenvolvimento de Sistemas de Suporte à Vida Biológicos
Um Sistema de Apoio à Decisão (SAD) preditivo para uma planta de produção de microalgas baseado no paradigma da Internet das Coisas
Monitoramento de Processos de Microalgas
Otimização do sistema de iluminação para um Reator Algal Turbidostático Serial Integrado Hidraulicamente (HISTAR): Implicações econômicas
Triagem de fases de crescimento de algas e cianobactérias antárticas cultivadas em placas de ágar por imagem de fluorescência da clorofila
Gestão de Rotina de Microalgas Usando Autofluorescência da Clorofila
Estimativa de cotas de lipídios neutros e carboidratos em microalgas usando observadores de intervalo adaptativos
Evolução da tolerância ao sal em uma população de laboratório de Chlamydomonas reinhardtii
Melhoria de linhagem de Chlorella sp. para biodegradação de fenol por evolução adaptativa em laboratório
Aumento de carotenoides por mutação e genes carotenogênicos induzidos por estresse em mutantes de Haematococcus pluvialis
Proteção aprimorada contra estresse oxidativo em um mutante de Haematococcus (Chlorophyceae) superprodutor de astaxantina
Aumento da taxa de crescimento e do rendimento de lipídios de Chlorella com irradiação nuclear sob estresse de alto sal e CO2
Engenharia genética de microalgas para produção aprimorada de lipídios
Engenharia de tolerância ao sal de cianobactérias fotossintéticas para utilização de água do mar
Avanços recentes na engenharia genética de microalgas
Engenharia genética da alga verde Chlorella zofingiensis: Um gene modificado de fitoeno desaturase resistente à norflurazona como marcador selecionável dominante
Limitações na biossíntese de fucoxantina como alvos para engenharia genética em Phaeodactylum tricornutum
Biossíntese de astaxantina em Dunaliella salina transgênica (Chlorophyceae) aumentou a tolerância ao estresse por alta irradiação
Percepções sobre abordagens de engenharia genética e metabólica para melhorar a competência de microalgas como recurso de biocombustível: Uma revisão
Produção fotoautotrófica de pigmento macular em uma linhagem de Chlamydomonas reinhardtii gerada por mutagênese mediada por RNP CRISPR-Cas9 livre de DNA
Mecanismos moleculares da coordenação entre astaxantina e biossíntese de ácidos graxos em Haematococcus pluvialis (Chlorophyceae)
Papel do cobre no aumento da coacumulação de astaxantina e lipídios em Haematococcus pluvialis exposta a condições de estresse abiótico
Estamos consumindo ácidos graxos poli-insaturados ômega-3 de cadeia longa suficientes para uma saúde ideal?
Triagem de linhagens de Isochrysis para produção simultânea de ácido docosahexaenoico e fucoxantina
Biossíntese e regulação de carotenoides em Dunaliella: Progressos e perspectivas
Biomassa de microalgas para fermentação de bioetanol: Implicações para sistemas hipersalinos com foco industrial
Vias de biossíntese de carotenoides em microalgas e suas estruturas químicas. MEP: metileritritol fosfato; IPP: isopentenil pirofosfato; DMAPP: difosfato de dimetilalila; GPPS: sintase do difosfato de geranila; GGPPS: sintase do pirofosfato de geranilgeranila; GGPP: pirofosfato de geranilgeranila; PSY: fitoeno sintase; Z-ISO: ζ-caroteno isomerase; ZDS: ζ-caroteno desaturase; CrtISO: caroteno isomerase; LCYE: licopeno epsilon ciclase; CYP97A: citocromo P450 beta hidroxilase; CYP97C: citocromo P450 epsilon hidroxilase; LCYB: licopeno β-ciclase; BKT: β-caroteno cetolase; CHYB: β-caroteno hidroxilase.
A estrutura química da (all-E)-fucoxantina.
Possíveis mecanismos de respostas de microalgas induzidas pelo estresse salino.
Características da IoT e suas potenciais utilizações na biorrefinaria de microalgas. UP, processamento upstream; DOWN, processamento downstream.
Carotenoides naturais e suas fontes naturais, biofunções e doses recomendadas.
Carotenoides Fontes Naturais Biofunções Dose Recomendada Ref. Luteína Flor de calêndula *;Gema;Brócolis;MicroalgasFrutas alaranjadas e amarelas; Vegetais folhosos verdes; Antioxidante;Filtrar luz azul;Prevenir DMRI;Prevenir DA 6 mg dia−1 Astaxantina Camarão;Salmão;Caranguejos;Microalgas(Haematococcus pluvialis *)Phaffia rhodozyma Antioxidante;Antienvelhecimento;Anti-inflamatório;Anti-hipertensivo;Anticancerígeno; 4–12 mg dia−1 β-caroteno Abóbora;Manga;Cenouras;Microalgas(Dunaliella salina *) Precursor da vitamina A;Antioxidante;Anticancerígeno;Anticardiovascular;Fortalecimento imunológico 600 µg RE 1/dia Zeaxantina Flor de calêndula *;Milho;Pimentas laranjas;Microalgas;Cebolinhas Filtrar luz azul;Melhorar acuidade visual;Anticancerígeno;Anti-inflamatório;AntialérgicoContra UV, vermelhidão da pele 2 mg dia−1 Fucoxantina Macroalgas *;Microalgas Anticancerígeno;Anti-hipertensivo;Anti-inflamatório;Antiobesidade −
Notas de rodapé: DW, peso seco; AMD, degeneração macular relacionada à idade; AD, Doença de Alzheimer. * Este símbolo representa a principal fonte de um determinado carotenóide. 1 RE, equivalente de retinol.
Carotenoides derivados de microalgas, conteúdo e suas biofunções.
Carotenoide Microalga Conteúdo Produtividade/Rendimento Ref. Luteína Chromochloris zofingiensis bkt1 (mutante) 13,81 mg/g PS 33,97 mg/L Parachlorellasp. JD-076 11,87 mg/g PS 25,0 mg/L/dia Chlorella sorokiniana FZU60 11,22 mg/g PS 8,25 mg/L/dia Chlorella vulgaris UTEX 265 9,82 mg/g PS 11,98 mg/g/dia Chlorella vulgaris CS-41 9,0 mg/g PS 1,56 mg/L/dia Scenedesmus sp. 7,47 mg/g PS 19,70 mg/L/dia Chlorella sp. GY-H4 8,9 mg/g PS 10,50 mg/L/dia Chlorella sorokiniana MB-1-M12 7,39 mg/g PS 3,43 mg/L/dia Chlorella minutissima MCC-27 7,05 mg/g PS 6,34 mg/L/dia Astaxantina Haematococcus pluvialis 5% PS 65,8 mg/m2/dia Chromochloris zofingiensis 6,5 mg/g PS 0,8 mg/L/dia Coelastrum sp. G1-C1 (mutante) − 28,32 mg/L β-caroteno Dunaliellasalina * 13% PS − Chromochloris zofingiensis bkt1 (mutante) 7,18 mg/g PS 34,64 ± 1,39 mg/L Zeaxantina Nannochloropsis oceanica CCNM 1081 * 30,2 mg/g PS − Coelastrella sp. M60 13,15 mg/g PS 0,72 mg/L/dia Chromochloris zofingiensis bkt1 (mutante) 7,00 mg/g PS 36,79 ± 2,23 mg/L Dunaliellasalina zea1 (mutante) * 5,9 mg/g PS − Chlorella ellipsoidea * 4,26 mg/g PS − Fucoxantina Mallomonas sp. 26,6 mg/g PS − Isochrysis zhanjiangensis * 23,29 mg/g PS 2,94 mg/L/dia Odontella aurita * 18,47 mg/g PS 7,96 mg/L/dia Isochrysis aff. Galbana * 18,23 mg/g PS − Tisochrysis lutea * 16,39 mg/g PS 9,81 mg/L/dia Phaeodactylum tricornutum * 16,33 mg/g PS −

• indica espécies de microalgas marinhas.
  Respostas Baixa Dose de NaCl Alta Dose de NaCl Fisiologia Crescimento ↑; Fotossíntese ↑ Crescimento ↓; Conteúdo de clorofila ↓; Fotossíntese ↓ Morfologia Sem alterações significativas Tamanho celular ↑; Parede celular ↑Mudança de cor Principais sumidouros de carbono Carboidrato ↑ Carboidrato (fornecendo blocos construtores) ↓TAGs ↑ Expressão gênica gene nr (para assimilação de N) ↑Genes de enzimas fotossintéticas (rbcL, rbcS) ↑ FTs (WRKY, MYB, bHLH...)Genes de enzimas antioxidantes (SOD, CAT) ↑Genes de metabólitos secundários ↑Genes de síntese de ácidos graxos ↑Genes de catabolismo do amido (PK) ↑Gene de gliconeogênese (PEPCK) ↓ Metabólitos Luteína ↑ Carotenoides secundários ↑TFA ↑
  Tratamento salino e condições combinadas de salinidade para produção de carotenoides.
  Condições de Estresse Microalgas Carotenoides Variação (Fold Change) Ref. 100–500 mM NaCl (Duas etapas) Coccomyxa onubensis Luteína 0,47 vezes 200 mM NaCl C. zofingiensis CCAP 211/14 Astaxantina 1,23 vezes 36,27 g/L NaCl Tisochrysis lutea Fucoxantina − 2% NaCl (p/v) Chromochloris zofingiensis bkt1 Zeaxantina 1,38 vezes Luteína β-caroteno 0,22 vezes 0,36 vezes Alta luz + NaCl Chromochloris zofingiensis Astaxantina 7,53 vezes LA + NaCl (20%) Chlorella sorokiniana Astaxantina 1,25 vezes GABA + alta luz + NaCl Haematococcus pluvialis Astaxantina 3,24 vezes MT+ jejum de N + NaCl Haematococcus pluvialis Astaxantina 1,20 vezes TiO2 + jejum de N + NaCl Coelastrella sp. Zeaxantina 0,51 vezes Astaxantina 1,16 vezes