Stability of Carotenoids, Total Phenolics and In Vitro Antioxidant Capacity in the Thermal Processing of Orange-Fleshed Sweet Potato (Ipomoea batatas Lam.) Cultivars Grown in Brazil

Intervention strategies regarding the biofortification of orange-fleshed sweet potato, which is a rich source of carotenoids for combating vitamin A deficiency, are being developed in Brazil. This study was conducted to evaluate the concentrations of individual carotenoids, total phenolic compounds and antioxidant capacity in the roots of four biofortified sweet potato cultivars that were raw or processed by four common heat treatments. HPLC, Folin-Ciocalteu, DPPH and ABTS assays were used. All cultivars showed high levels of carotenoids in raw roots, predominantly all-trans-beta-carotene (79.1-128.5 mg.100 g(-1) DW), suggesting a high estimated vitamin A activity. The CNPH 1194 cultivar reported carotenoids values highest than those of other cultivars (p < 0.05). The total phenolic compounds varied among cultivars and heat treatments (0.96-2.05 mg.g(-1) DW). In most cases, the heat treatments resulted in a significant decrease in the carotenoids and phenolic compounds contents as well as antioxidant capacity. Processing of flour presented the greatest losses of major carotenoids and phenolics. The phenolic compounds showed more stability than carotenoids after processing. There were significant correlations between the carotenoids and phenolic compounds and the antioxidant capacity.

Vitamin or mineral supplement intake and the risk of head and neck cancer: pooled analysis in the INHANCE consortium

To investigate the potential role of vitamin or mineral supplementation on the risk of head and neck cancer (HNC), we analyzed individual-level pooled data from 12 casecontrol studies (7,002 HNC cases and 8,383 controls) participating in the International Head and Neck Cancer Epidemiology consortium. There were a total of 2,028 oral cavity cancer, 2,465 pharyngeal cancer, 874 unspecified oral/pharynx cancer, 1,329 laryngeal cancer and 306 overlapping HNC cases. Odds ratios (OR) and 95% confidence intervals (CIs) for self reported ever use of any vitamins, multivitamins, vitamin A, vitamin C, vitamin E, and calcium, beta-carotene, iron, selenium and zinc supplements were assessed. We further examined frequency, duration and cumulative exposure of each vitamin or mineral when possible and stratified by smoking and drinking status. All ORs were adjusted for age, sex, race/ethnicity, study center, education level, pack-years of smoking, frequency of alcohol drinking and fruit/vegetable intake. A decreased risk of HNC was observed with ever use of vitamin C (OR = 0.76, 95% CI = 0.590.96) and with ever use of calcium supplement (OR = 0.64, 95% CI = 0.420.97). The inverse association with HNC risk was also observed for 10 or more years of vitamin C use (OR = 0.72, 95% CI = 0.540.97) and more than 365 tablets of cumulative calcium intake (OR = 0.36, 95% CI = 0.160.83), but linear trends were not observed for the frequency or duration of any supplement intake. We did not observe any strong associations between vitamin or mineral supplement intake and the risk of HNC.

Dietary carotenoid lutein protects against DNA damage and alterations of the redox status induced by cisplatin in human derived HepG2 cells

Several epidemiological and experimental studies has been reported that lutein (LT) presents antioxidant properties. Aim of the present study was to investigate the protective effects of LT against oxidative stress and DNA damage induced by cisplatin (cDDP) in a human derived liver cell line (HepG2). Cell viability and DNA-damage was monitored by MU and comet assays. Moreover, different biochemical parameters related to redox status (glutathione, cytochrome-c and intracellular ROS) were also evaluated. A clear DNA-damage was seen with cDDP (1.0 mu M) treatment. In combination with the carotenoid, reduction of DNA damage was observed after pre- and simultaneous treatment of the cells, but not when the carotenoid was added to the cells after the exposure to cDDP. Exposure of the cells to cDDP also caused significant changes of all biochemical parameters and in co-treatment of the cells with LT, the carotenoid reverted these alterations. The results indicate that cDDP induces pronounced oxidative stress in HepG2 cells that is related to DNA damage and that the supplementation with the antioxidant LT may protect these adverse effects caused by the exposure of the cells to platinum compound, which can be a good predict for chemoprevention. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Daily vitamin supplementation and hypovitaminosis after obesity surgery

Objective: The objective of this study was to determine whether constant daily vitamin supplementation would be sufficient to prevent possible vitamin deficiencies in obese patients undergoing bariatric surgery. Methods: The study was conducted on 58 men and women (mean age 41 +/- 10 y) who underwent Roux-en-Y gastric bypass RYGB and were assessed preoperatively and at 3, 6, and 12 mo after surgery. During the postoperative period, the patients received a multivitamin-mineral supplement on a daily basis. Results: Serum beta-carotene and vitamin C were lower starting from the third postoperative month and continued to be low after 12 mo, and vitamin A was decreased by the sixth month and increased by 12 mo. Vitamin B12 levels were stable up to 6 mo but were decreased by 12 mo. Folic acid levels increased from the third month and remained higher throughout follow-up. One year after surgery there were 19% and 21% increases in the number of patients with vitamin A and vitamin C deficiency, respectively, and a 4% decreased of patients with folic acid deficiency. Conclusion: Weight loss and improvement in patients' general condition followed surgery, but serum levels of some vitamins were decreased despite the use of a vitamin-mineral supplement. These patients need continuous follow-up and individualized prescription of supplementation after the surgical procedure to prevent and treat vitamin deficiencies. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Carotenoids and polyphenols in nutricosmetics, nutraceuticals, and cosmeceuticals

The market for cosmeceuticals continues with significant annual growth, but today consumers are more aware of nutritional products that contribute to both skin health and disease prevention. In the last 10 years, pharmacists, chemists, nutritionists, and physicians have been working together to develop new nutritional applications to satisfy peoples needs and demands. As a recent result of convergence phenomenon between cosmetics and food industries, nutricosmetics is a blurry area unfamiliar to many consumers and sometimes even to foods and cosmetics experts. Characterized by oral supplementation of nutrients, nutricosmetics are also known as beauty pills,beauty from within, and even oral cosmetics. The major claim is the antiaging effect, reducing wrinkles by fighting free radicals generated by solar radiation. Among the ingredients used in nutricosmetics, antioxidants represent the most crucial. The best-known antioxidants are carotenoids (beta-carotene, lycopene, lutein, zeaxanthin, and astaxanthin) and polyphenols (anthocyanidins, catechins, flavonoids, tannins, and procyanidins). This study presents an overview about the concept of nutricosmetics and gives us information about the difference between nutricosmetics, nutraceuticals, and cosmeceuticals. The article also discusses about carotenoids and polyphenols, two classes of ingredients often employed in such products.

Proinflammatory and oxidative stress markers in patients submitted to Roux-en-Y gastric bypass after 1 year of follow-up

BACKGROUND/OBJECTIVES: This study examined the effect of weight loss after 3, 6 and 12 months of Roux-en-Y Gastric Bypass (RYGB) on energy intake and on several biomarkers of oxidative stress such as levels of vitamin C, beta-carotene, vitamin E (diet/blood), nitric oxide metabolites (NOx), myeloperoxidase (MPO), thiobarbituric acid reactive substances (TBARS), reduced glutathione (GSH) and activity of catalase (CAT). SUBJECTS/METHODS: Study with a control group (CG), assessed once, and a bariatric group (BG) assessed at the basal period as well as at 3, 6 and 12 months post-surgery; both groups were composed of 5 men and 31 women (n = 36). Age was 38.7 +/- 9.4 and 39.6 +/- 9.2 years old and body mass index (BMI) was 22.2 +/- 2.1 and 47.6 +/- 9.1 kg/m(2), respectively. The variance measure quoted was SEM. RESULTS: The body weight at 12 months was 35.8 +/- 1.0% (P<0.001) lower than that of the basal period. At the basal period BG showed higher levels of NOx (P=0.007) and TBARS (P<0.001) and lower levels of vitamins C and E (P<0.001) compared with CG. After 3 months the activity of MPO was decreased (P<0.001). Six months after surgery GSH levels were decreased (P=0.037), whereas CAT activity was increased (P=0.029). After 12 months levels of NOx (P=0.004), TBARS (P<0.001), beta-carotene (P<0.001) and vitamin E (P<0.001) were decreased, whereas those of vitamin C (P<0.001) were increased compared with controls. CONCLUSION: RYGB followed by a daily vitamin supplement apparently attenuated pro-inflammatory and oxidative stress markers 1 year after surgery, but additional antioxidant supplementation appears necessary.

Chemopreventive effects of the dietary histone deacetylase inhibitor tributyrin alone or in combination with vitamin A during the promotion phase of rat hepatocarcinogenesis

The chemopreventive effects of tributyrin (TB) and vitamin A (VA), alone or in combination, were investigated during the promotion phase of rat hepatocarcinogenesis. Compared to diethylnitrosamine control rats. TB and TB+VA-treated rats, but not VA-treated rats, presented a lower incidence and mean number of hepatocyte nodules and a smaller size of persistent preneoplastic lesions (pPNLs). In addition, TB and TB+VA-treated rats exhibited a higher apoptotic body index in pPNL and remodeling PNL, whereas VA-treated rats presented only a higher apoptotic body index in remodeling PNL. None of the treatments inhibited cell proliferation in PNL TB and TB+VA-treated rats, but not VA-treated rats, exhibited higher levels of H3K9 acetylation and p21 protein expression. TB and VA-treated rats exhibited increased hepatic concentrations of butyric acid and retinoids, respectively. Compared to normal rats, diethylnitrosamine control animals exhibited lower retinyl palmitate hepatic concentrations. All groups had similar expression levels and exhibited similar unmethylated CRBP-I promoter region in microdissected pPNL, indicating that epigenetic silencing of this gene was not involved in alteration of retinol metabolism in early hepatocarcinogenesis. Data support the effectiveness of TB as a dietary histone deacetylase inhibitor during the promotion phase of hepatocarcinogenesis, which should be considered for chemoprevention combination strategies. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Antioxidant Activity of Brazilian Vegetables and Its Relation with Phenolic Composition

Vegetables are widely consumed in Brazil and exported to several countries. This study was performed to evaluate the phenolic content and antioxidant activity of vegetables commonly consumed in Brazil using five different methods, namely DPPH and ABTS free radical, beta-carotene bleaching, reduction of Fe3+ (FRAP), oxidative stability in Rancimat, and the chemical composition using gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS). The content of phenolic compounds ranged from 1.2 mg GA/g (carrot) to 16.9 mg GA/g (lettuce). Vegetables presenting the highest antioxidant activity were lettuce (77.2 mu mol Trolox/g DPPH center dot; 447.1 mu mol F2+/g FRAP), turmeric (118.6 mu mol Trolox/g ABTS(center dot+); 92.8% beta-carotene), watercress and broccoli (protective factor 1.29-Rancimat method). Artichoke, spinach, broccoli, and asparagus also showed considerable antioxidant activity. The most frequent phenolic compounds identified by GC-MS were ferulic, caffeic, p-coumaric, 2-dihydroxybenzoic, 2,5-dihydroxybenzoic acids, and quercetin. We observed antioxidant activity in several vegetables and our results point out their importance in the diet.

Antioxidant activity and chemical composition of the non polar fraction of Gracilaria domingensis (Kützing) Sonder ex Dickie and Gracilaria birdiae (Plastino & Oliveira)

Gracilaria domingensis (Kützing) Sonder ex Dickie and Gracilaria birdiae (Plastino & Oliveira) (Gracilariales, Rhodophyta) are seaweeds that occur on the Brazilian coast. Based on their economic and pharmaceutical importance, we investigated the antioxidant activity of the methanolic, ethyl acetate and hexane extracts of both species. The hexane extracts display a high antioxidant activity and comparative analyses indicated G. birdiae as the most active species. Chemical investigation of these fractions showed several carotenoids and fatty acids, as well as cholesterol and sitosterol derivatives. HPLC-DAD analysis of G. birdiae showed violaxanthin (0.04 μg.mg-1 of dry material), antheraxanthin (5.31 μg.mg-1), aloxanthin (0.09 μg.mg-1), zeaxanthin (0.45 μg.mg-1) and β-carotene (0.37 μg.mg-1) as the major carotenoids. G. domingensis showed a similar carotenoid profile, however, with much lower concentration than G. birdiae. Gas chromatography coupled to mass spectrometry was used to determine other nonpolar compounds of these seaweeds. The main compounds detected in both studied species were the fatty acids 16:0; 18:1 Δ9; 20:3 Δ6,9,12, 20:4 Δ5,8,11,14. We found no specificity of compounds in either species. However, G. birdiae, presented higher contents of carotenoids and arachidonic acid than G. domingensis.

Beziehungen zwischen den Xanthophyllzyklen und der Biosynthese von Lichtsammelxanthophyllen in Chlorophyll a/c-haltigen Algen

Zusammenfassung:In Chlorophyll(Chl) a/c-haltigen Algen leisten Xanthophylle einen wesentlichen Beitrag zur Lichtsammlung. Daneben finden sich weitere Xanthophylle, die an einem Schutzmechanismus bei überoptimalem Lichtangebot beteiligt sind, dem sog. Xanthophyllzyklus. Ein Teil der Chl a/c-haltigen Algen besitzt den auch bei Höheren Pflanzen anzutreffenden Violaxanthin/Antheraxanthin/Zeaxanthin-(Vx/Ax/Zx-)Zyklus. In anderen Gruppen wie den Dinophyta, Haptophyta und den Kieselalgen (Bacillariophyceae) ist statt dessen der Diadinoxanthin/Diatoxanthin-(Ddx/Dtx-)Zyklus zu finden. Die vorliegende Arbeit zeigt, daß schwachlichtadaptierte Turbidostatkulturen der Kieselalge Phaeodactylum tricornutum unter mehrstündiger Starklichtinkubation neben den Pigmenten des Ddx/Dtx-Zyklus auch die des Vx/Ax/Zx-Zyklus akkumulieren. Außerdem läßt sich ein dritter Xanthophyllzyklus zwischen beta-Cryptoxanthin (Cx) und beta-Cryptoxanthin-Epoxid (CxE) nachweisen, doch liegen diese beiden Pigmente nur in sehr geringen Konzentrationen vor. Für die Starklichtakkumulation von Zx ist eine hohe Deepoxidase-Aktivität und die de-novo-Synthese von Carotinoiden erforderlich. Aus Zx wird im anschließenden Schwachlicht über die Intermediate Vx und Ddx das Lichtsammelxanthophyll Fucoxanthin (Fx) synthetisiert. Dies bestätigt auch ein Vergleich der Kinetiken der einzelnen Umwandlungsschritte mit den anhand eines Modells der Xanthophyllbiosynthesewege ermittelten theoretischen Ratenkonstanten. Dieser Vergleich legt jedoch nahe, daß bei der Vx-Synthese aus beta-Carotin CxE anstelle von Zx involviert sein könnte. Eine Untersuchung weiterer Chl a/c-haltiger Algen mit Ddx/Dt-Zyklus ergab, daß sie unter Starklicht ebenfalls den Vx/Ax/Zx-Zyklus akkumulieren. Weiterhin sind, mit Einschränkungen bei den Dinophyten und Xanthophyceen, alle untersuchten Algen in der Lage, die unter Starklicht akkumulierten Xanthophyllzykluspigmente im nachfolgenden Schwachlicht zur Synthese des jeweiligen Lichtsammelxanthophylls zu nutzen. Unter energetischen Gesichtspunkten stellt dieses Pigment-Recycling insbesondere für die Fx-haltigen Algen einen Vorteil dar, da ihre Lichtsammelkomplexe im Vergleich zu denen der Höheren Pflanzen etwa die doppelte Anzahl an Xanthophyllen binden.

Untersuchung der Pigment- und Proteinzusammensetzung der peripheren Lichtsammelantenne des Photosystem I

Die Lichtsammelantenne des PSI (LHCI) ist hinsichtlich ihrer Protein- und Pigmentzusammensetzung weniger gut untersucht als die des PSII. Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb zunächst die Isolation von nativen LHCI-Subkomplexen optimiert und deren Pigmentzusammensetzung untersucht. Zusätzlich wurde die Pigmentbindung analysiert sowie das Pigment/Protein-Verhältnis bestimmt. Die Analyse der Proteinzusammensetzung des LHCI erfolgte mittels einer Kombination aus ein- oder zweidimensionaler Gelelektrophorese mit Westernblotanalysen mit Lhca-Protein-spezifischen Antikörpern und massenspektrometrischen Untersuchungen. Dabei stellte sich heraus, dass der LHCI mehr Proteine bzw. Proteinisoformen enthält als bisher vermutet. So gelang durch die massenspektrometrischen Untersuchungen die Identifizierung zweier bisher noch nicht nachgewiesener Lhca-Proteine. Bei diesen handelt es sich um eine Isoform des Lhca4 und ein zusätzliches Lhca-Protein, das Tomaten-Homolog des Lhca5 von Arabidopsis thaliana. Außerdem wurden in 1D-Gelen Isoformen von Lhca-Proteinen mit unterschiedlichem elektrophoretischen Verhalten beobachtet. In 2D-Gelen trat zusätzlich eine große Anzahl an Isoformen mit unterschiedlichen isoelektrischen Punkten auf. Es ist zu vermuten, dass zumindest ein Teil dieser Isoformen physiologischen Ursprungs ist, und z.B. durch differentielle Prozessierung oder posttranslationale Modifikationen verursacht wird, wenn auch die Spotvielfalt in 2D-Gelen wohl eher auf die Probenaufbereitung zurückzuführen ist. Mittels in vitro-Rekonstitution mit anschließenden biochemischen Untersuchungen und Fluoreszenzmessungen wurde nachgewiesen, dass Lhca5 ein funktioneller LHC mit spezifischen Pigmentbindungseigenschaften ist. Außerdem zeigten in vitro-Dimerisierungsexperimente eine Interaktion zwischen Lhca1 und Lhca5, wodurch dessen Zugehörigkeit zur Antenne des PSI gestützt wird. In vitro-Dimerisierungsexperimente mit Lhca2 und Lhca3 führten dagegen nicht zur Bildung von Dimeren. Dies zeigt, dass die Interaktion in potentiellen Homo- oder Heterodimeren aus Lhca2 und/oder Lhca3 schwächer ist als die zwischen Lhca1 und Lhca4 oder Lhca5. Die beobachtete Proteinheterogenität deutet daraufhin, dass die Antenne des PSI eine komplexere Zusammensetzung hat als bisher angenommen. Für die Integration „neuer“ LHC in den PSI-LHCI-Holokomplex werden zwei Modelle vorgeschlagen: geht man von einer festen Anzahl von LHCI-Monomeren aus, so kann sie durch den Austausch einzelner LHC-Monomere erreicht werden. Als zweites Szenario ist die Bindung zusätzlicher LHC vorstellbar, die entweder indirekt über bereits vorhandene LHC oder direkt über PSI-Kernuntereinheiten mit dem PSI interagieren. In Hinblick auf die Pigmentbindung der nativen LHCI-Subfraktionen konnte gezeigt werden, dass sie Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie und Anzahl binden, und sich vom LHCIIb vor allem durch eine verstärkte Bindung von Chlorophyll a, eine geringere Anzahl von Carotinoiden und die Bindung von ß-Carotin an Stelle von Neoxanthin unterscheiden. Der Vergleich von nativem LHCI mit rekonstituierten Lhca-Proteinen ergab, dass Lhca-Proteine Pigmente in einer spezifischen Stöchiometrie binden, und dass sie Carotinoidbindungsstellen mit flexiblen Bindungseigenschaften besitzen. Auch über die Umwandlung des an die einzelnen Lhca-Proteine gebundenen Violaxanthins (Vio) im Xanthophyllzyklus war nur wenig bekannt. Deshalb wurden mit Hilfe eines in vitro-Deepoxidationssystems sowohl native als auch rekonstituierte LHCI hinsichtlich ihrer Deepoxidationseigenschaften untersucht und der Deepoxidationsgrad von in vivo deepoxidierten Pigment-Protein-Komplexen bestimmt. Aus den Deepoxidationsexperimenten konnte abgeleitet werden, dass in den verschiedenen Lhca-Proteinen unterschiedliche Carotinoidbindungsstellen besetzt sind. Außerdem bestätigten diese Experimente, dass der Xanthophyllzyklus auch im LHCI auftritt, wobei jedoch ein niedrigerer Deepoxidationsgrad erreicht wird als bei LHCII. Dies konnte durch in vitro-Deepoxidationsversuchen auf eine geringere Deepoxidierbarkeit des von Lhca1 und Lhca2 gebundenen Vio zurückgeführt werden. Damit scheint Vio in diesen Lhca-Proteinen eher eine strukturelle Rolle zu übernehmen. Eine photoprotektive Funktion von Zeaxanthin im PSI wäre folglich auf Lhca3 und Lhca4 beschränkt. Damit enthält jede LHCI-Subfraktion ein LHC-Monomer mit langwelliger Fluoreszenz, das möglicherweise am Lichtschutz beteiligt ist. Insgesamt zeigten die Untersuchungen der Pigmentbindung, der Deepoxidierung und der Fluoreszenzeigenschaften, dass sich die verschiedenen Lhca-Proteine in einem oder mehreren dieser Parameter unterscheiden. Dies lässt vermuten, dass schon durch leichte Veränderungen in der Proteinzusammensetzung des LHCI eine Anpassung an unterschiedliche Licht-verhältnisse erreicht werden kann.

Entschlüsselung des Carotinoid-Metabolismus im marinen Schwamm Suberites domuncula

Die Enzyme des Carotinoidstoffwechsels spalten Provitamin A-Carotinoide in wichtige Retinoide (z.B. Vitamin A, Retinsäure), die Organismen während der Entwicklung und in visuellen Systemen benötigen. Die vorliegende Arbeit präsentiert erstmalig eine Carotinoxygenase (BCO) aus Schwämmen (S. domuncula), die einzigartig im Tierreich ist und nur einen orthologen Vertreter in Pflanzen (Crocus sativus) wieder findet. Das Enzym ist eine 7,8(7’,8’)-Carotinoxygenase, die C40-Carotinoide zu einem C10-Apocarotinoid und 8’-Apocarotinal spaltet. Mittels HPLC wurden sowohl die Primärspaltprodukte von β-Carotin, Lykopin und Zeaxanthin als auch das für alle identische innere Kettenstück (Crocetin) bei Doppelspaltung nachgewiesen. Der Nachweis der BCO-Transkripte (unter anderem in-situ) belegt eine Beteiligung des Enzyms während Entwicklungsprozessen und offenbart sowohl eine streng räumlich-zeitliche als auch eine über Rückkopplungsprozesse gesteuerte Regulierung des Enzyms. Ein weiteres hier identifiziertes Gen ähnelt einer bakteriellen Apocarotinoidoxygenase (ACO), welche das 8’-Apocarotinal der BCO erneut spaltet und so Retinal generiert. Letzteres dient als Chromophor zahlreicher visueller Systeme und kann über Enzyme des Retinoidstoffwechsels entweder gespeichert, oder in das wichtige Morphogen Retinsäure umgesetzt werden. Hier werden zwei potentielle Enzyme vorgestellt, die an dieser Interkonversion Retinal/Retinol (Speicher) beteiligt sein könnten als auch eines, das evtl. Retinal zu Retinsäure umsetzt. Die hier vorgestellten Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Retinsäure kein autapomorphes Morphogen der Chordaten darstellt.

Nachweis und Charakterisierung der Ketocarotinoidakkumulation in Zygosporen des Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii

Ketocarotinoide sind in den Dauerstadien vieler Grünalgen anzutreffen und aufgrund ihres hohen antioxidativen Potentials vermutlich von großer Bedeutung für deren Überleben unter ungünstigen Umweltbedingungen. Daneben ist die Aufnahme von Ketocarotinoiden im Zuge der Nahrungskette für verschiedene Tiere lebensnotwendig. Trotz zahlreicher Untersuchungen des Biosynthesewegs der Ketocarotinoide, vorwiegend in der Grünalge Haematococcus pluvialis, sind viele grundlegende Aspekte der Synthese nicht verstanden. Dazu zählt neben dem genauen Reaktionsmechanismus des ketolierenden Enzyms ß-Carotin-Ketolase (BKT) vor allem der noch nicht aufgeklärte Zusammenhang zwischen Lipidsynthese und Ketocarotinoidakkumulation. Nach der Entdeckung eines zur BKT aus H. pluvialis homologen Gens in einer EST-Datenbank des Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii wurden im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit die als orange-rot beschrieben Zygosporen von C. reinhardtii als mögliches ketocarotinoidhaltiges Zellstadium untersucht. Dabei wurden für C. reinhardtii erstmals Ketocarotinoide in Konzentrationen bis zu einem Femtomol pro Zelle nachgewiesen und mittels HPLC-Analytik, chemischer Derivatisierung und Massenspektrometrie zweifelsfrei identifiziert. Es wurden, in aufsteigender Quantität, drei Ketocarotinoide detektiert: Canthaxanthin, Astaxanthin und 4-Ketolutein. Letzteres wurde bisher selten in anderen ketocarotinoidakkumulierenden Organismen beschrieben und stellt, im Gegensatz zu den vom ß-Carotin abgeleiteten Pigmenten Astaxanthin und Canthaxanthin, ein Pigment des α-Carotin-Zweiges dar. Astaxanthin und 4-Ketolutein wurden vor allem in Form von Pigment-Fettsäureestern nachgewiesen. Mit Hilfe von Paarungsansätzen mit der lor1-Mutante, die keine α-Carotinoide synthetisieren kann, und Vergleichen mit Ketocarotinoiden aus H. pluvialis konnte gezeigt werden, dass 4 Ketolutein nur als Monoacylester in der Alge vorliegt, während Astaxanthin sowohl als Monoacyl- wie auch als Diacylester anzutreffen ist. Ketocarotinoide wurden innerhalb der ersten 14 Tage der Zygotenreife gebildet. Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahmen der Zygoten dokumentierten, dass damit ein starker Umbau der Zelle einherging, der sich vor allem in der Reduktion des Chloroplasten und der Bildung von Lipidtröpfchen darstellte. Letztere nahmen bei reifen Zygosporen den größten Teil des Zelllumens ein und wurden mittels dünnschichtchromatografischer Analysen als Neutralfette identifiziert. Der sinkende Zellgehalt an Carotinoiden im Zuge der Zygosporenreifung und Inhibitorexperimente an reifenden Zygoten mittels Norflurazon zeigten, dass für die Ketocarotinoidakkumulation keine Neusynthese von Carotinoiden nötig ist und lassen die Hypothese zu, dass C. reinhardtii die im Zuge der Chloroplastenreduktion freigesetzten Photosynthese-Carotinoide als Substrate für die Ketocarotinoidsynthese verwendet. Physiologische Bedeutung könnte den Ketocarotinoiden vor allem beim Schutz der Speicherlipide vor Peroxidation durch reaktive Sauerstoffspezies zukommen. Diese Reservestoffe stellen die Energieversorgung während des Auskeimens der Zellen sicher. Durch den im Rahmen der vorliegenden Forschungsarbeit dokumentierten Nachweis der Ketocarotinoidakkumulation in C. reinhardtii können die Ketocarotinoidsynthese und vor allem der Zusammenhang von Lipid- und Ketocarotinoidakkumulation zukünftig mit Hilfe der für diesen Modellorganismus vorliegenden umfangreichen molekulargenetischen Methoden detailliert untersucht werden.

Identifizierung und Quantifizierung der Ketocarotinoide in Dauerstadien von Grünalgen und Ketocarotinoidbiosynthese im Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii

Grünalgen bilden zur Überdauerung schlechter Umweltbedingungen Ruhestadien, die sich durch Ausbildung einer festen Zellwand, die Reduktion des Plastiden und die starke Akkumulation von Speicherfetten und Ketocarotinoiden im Zytosol auszeichnen. Obwohl Ketocarotinoide in Grünalgen seit über vierzig Jahren beforscht werden, gab es hierzu noch wenige molekularbiologische Untersuchungen. Im Vorfeld meiner Promotion wurde durch unsere Arbeitsgruppe entdeckt, dass auch der molekular gut zugängliche Modellorganismus Chlamydomonas reinhardtii im Zygotenstadium große Mengen an Ketocarotinoiden bildet. Neben dem zu erwartenden Ketocarotinoid Astaxanthin fanden wir große Mengen des bisher nur in einer Grünalge beschriebenen 4-Ketoluteins. Vorversuche ließen die Vermutung aufkommen, dass dieses Pigment bei der Untersuchung der Pigmentausstattung in Dauerstadien von vielen Grünalgen bisher übersehen wurde. rnIn der vorliegenden Arbeit wurde daher zunächst die Pigmentzusammensetzung von Dauerstadien der bereits gut untersuchten Grünalgen Muriella zofingiensis und Scenedesmus rubescens durch Vergleich mit dem Ketocarotinoidmuster aus Dauerstadien von C. reinhardtii und Fritschiella tuberosa reevaluiert und dabei erstmals das Vorkommen signifikanter Mengen an 4-Ketolutein nachgewiesen. Außerdem zeigte sich, dass die als bisheriger Modellorganismus der Ketocarotinoidbiosynthese in Grünalgen sehr gut untersuchte Alge Haematococcus pluvialis eher eine Ausnahme darstellt, da ihre Dauerstadien als einzige der hier untersuchten Algen nur minimale Mengen von 4 Ketolutein aufwiesen. Diese Beobachtungen machen es sehr wahrscheinlich, dass die Fähigkeit zur Bildung von 4-Ketolutein unter den Grünalgen wesentlich weiter verbreitet ist als bisher angenommen. Das sekundäre Carotinoid 4-Ketolutein kam in den Dauerstadien der Grünalgen neben seiner freien Form ausschließlich als Monoacylester vor, im Gegensatz zu Astaxanthin, das als mono- und diacylierte Form auftrat. rnÜber die Analyse der Pigmentausstattung hinaus konnten die entscheidenden Schritte des Synthesewegs der Ketocarotinoide in C. reinhardtii durch funktionelle Charakterisierung der beteiligten Enzyme in Bakterien aufgeklärt werden. Als Basis für die Charakterisierungen wurde ein umfangreiches Portfolio von carotinogenen E. coli-Bakterien etabliert, darunter α Carotin und Lutein produzierende Stämme, die bisher nicht zur Verfügung standen. Das wurde durch die Klonierung der Lycopinzyklase (OluLCY) aus der Grünalge Ostreococcus lucimarinus möglich, die eine Sonderolle unter den Zyklasen einnimmt, da sie die Lycopin-β-Zyklase und Lycopin-ε-Zyklase in einem Fusionsenzym vereint. Vorteile dieses Fusionsenzyms sind die Expressionskontrolle durch nur einen Promotor und die weitgehend konstante Stöchiometrie seiner Produkte α-Carotin und β-Carotin, was die OluLCY für die biotechnologische Anwendung prädestiniert.rnDie funktionelle Charakterisierung der Carotinoidbiosyntheseenzyme aus C. reinhardtii umfasste das Schlüsselenzym der Ketocarotinoidbiosynthese, die β-Carotin-Ketolase (BKT), sowie die Carotinoid-Hydroxylasen CHYB, CYP97A5 und CYP97C3. Dabei wurde für das BKT-Enzym aus C. reinhardtii nachgewiesen, dass es nicht nur die Ketolierung von β Carotin zu Canthaxanthin und von Zeaxanthin zu Astaxanthin, sondern auch die Bildung der von α-Carotin abgeleiteten Ketocarotinoide wie 4-Keto-α-Carotin und 4 Ketolutein katalysieren kann.rn

Effetto della carenza di Azoto su crescita e composizione di Phaeodactylum tricornutum

La diatomea presa in esame in questo studio è Phaeodactylum tricornutum, diatomea marina con simmetria pennata. L’interesse commerciale verso Phaeodactylum tricornutum nasce dal suo alto contenuto di acidi grassi polinsaturi (PUFA), tra cui troviamo alcuni omega 3, come l’acido eicosapentaenoico (EPA) e l’acido docosaesaenoico (DHA) e dalla quantità del polisaccaride di riserva prodotto, il β-1,3 glucano crisolaminarina. E’stata studiata la capacità dei β-1,3 glucani, in particolare della laminarina, di inibire l’attacco cellulare da parte di alcuni batteri dannosi per la salute umana. Anche i pigmenti accessori di questa diatomea in particolare il β-carotene (appartenente ai caroteni) e la fucoxantina (appartenente alle xantofille) possono essere impiegati nella nutraceutica. Negli studi svolti precedentemente sull’effetto di fattori ambientali sulla composizione di questa specie, è stata presa in considerazione solo la produzione di lipidi e non è mai stato seguito contemporaneamente l’andamento di lipidi e polisaccaridi: questo progetto di tesi prevede la valutazione della possibilità di ottenere colture di P. tricornutum ad alto contenuto sia polisaccaridico sia lipidico per applicazioni industriali. Tutto il lavoro di tesi si è svolto presso l’azienda Micoperi Blue Growth (MBG), nello stabilimento di Ortona (CH) in due fasi: nella prima fase l’esperimento è stato condotto in batch su piccola scala e la crescita e la composizione di P. tricornutum sono state seguite in due diversi terreni di coltura: uno ricco in azoto, denominato N, per mezzo del quale si è voluta incrementare la crescita e la biomassa ed uno a ridotto contenuto di azoto, denominato N/3, per indurre la produzione di lipidi e polisaccaridi. Ne è stata seguita la crescita per mezzo di misure di assorbanza, peso secco, pH, conta cellulare, determinazione dei macronutrienti ed è stata analizzata la composizione biochimica con determinazione dei composti polisaccaridici totali, determinazione qualitativa dei polisaccaridi, determinazione della clorofilla a, valutazione quantitativa e qualitativa dei lipidi. E' stato notato che la condizione con un contenuto polisaccaridico e lipidico maggiore è quella con un ridotto contenuto di azoto. Con la seconda fase si è voluto verificare la riproducibilità su larga scala di quanto notato nel primo esperimento in sistemi chiusi industriali. E’stata avviata una monocoltura di Phaeodactylum tricornutum in fotobioreattore (PBR) da 70L in semicontinuo e ne è stata monitorata la crescita misurando assorbanza, peso secco, pH, quantità di macronutrienti nel terreno; la composizione biochimica è stata valutata determinando i polisaccaridi totali e la loro composizione qualitativa, le proteine totali, i lipidi totali e la composizione qualitativa. In conclusione con questo lavoro si è visto il terreno migliore per la produzione di polisaccaridi e lipidi e le tempistiche di produzione in Phaeodactylum tricornutum, e in aggiunta, abbiamo dimostrato che sia contenuti che tempistiche sono riproducubili in un sistema industriale chiuso per produrre biomassa ad alto valore commerciale.