Haematococcus pluvialis is a commercial microalga that can produce high quantities of astaxanthin. Under induced conditions, some important changes in the subcellular structures related to astaxanthin accumulation were observable. For example, a large number of astaxanthin granules, oil structures and starch granules appeared in the thick-walled cells; Astaxanthin granules gradually dissolved into the oil structures and spread throughout the entire cell with the fusion and diffusion process of oil structures during the middle and late stages of induction; The plastoglobules were closed to the newly formed structures, and some plastoglobules would abnormally increase in size under stress. Based on observations of cell damage, the degradation of membrane structures, such as chloroplasts, was found to be the primary form of damage during the early stage of induction. During the middle stage of induction, some transparent holes were exposed in the dissolving astaxanthin granules in the cytoplasm. In thick-walled cells, these transparent holes were covered by oil substances dissolving astaxanthin, thereby avoiding further damage to cells. Given the relatively few oil structures, in non-thick-walled cells, the transparent holes expanded to form multiple transparent areas, eventually resulting in the rupture and death of cells. These results suggested that the high level of synthesis and the wide range diffusion of oil explained the expansion of astaxanthin in H. pluvialis.
Park Bok-Jun;Kim Beob-Min;Shim Su-Hyun;Kim Jeong-Dong;Lee Choul-Gyun
Microbiology and Biotechnology Letters
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v.34
no.2
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pp.136-142
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2006
Haematococcus pluvialis is a great producer of astaxanthin (3,3'-dihydroxy-$\beta$,$\beta$-carotene-4,4'-dione). The activities of astaxanthin include potential cancer prevention, immune response enhancement, antioxidant activity, and so on. Nevertheless, it tried to manipulate by mutation for overcoming low growth rate of wild type and limited production of astaxanthin. Mutated colony that is lager and more reddish one than wild type was selected by attempting to expose strains to UV irradiation and to treat chemical such as EMS and colchicines as mutagen. Selected mutants were further screened using inhibitors of the carotenoid biosynthetic pathway. Inhibitors used were nicotine and diphenylamine and both had decreased the survival rate by 40-50%. Among over 50,000 mutant colonies screened, two strains were selected. One selected mutant strain (U15-5) from UV treatment showed 1.68-fold higher total carotenoid contents per cell than that of the wild type strain. On the other hand, the other selected mutant strains (DS, M4-3) from colchicine treatment showed 20$\sim$30% faster cell growth than the wild type strain.
Haematococcus pluvialis was cultured autotrophically and mixotrophically for astaxanthin production in bubble column photobioreactors with $CO_2$ and/or acetate supplements. Four different schemes were tested using 5% $CO_2$ balanced with 95% $N_2$ at the aeration rate of 0.1 vvm and supplementation of acetate (l g/L) to the basal medium, MBBM. Average specific growth rates based on cell total volume of each case were 0.138 $day^{-1}$ in control (without $CO_2$ and acetate supplements), 0.125 $day^{-1}$ with only acetate supplementation, 0.315 $day^{-1}$ with only $CO_2$ supplement, 0.304 $day^{-1}$with both $CO_2$ and acetate. The growth rate under $CO_2$ supply was much higher than that without $CO_2$ supply. DCO and DO seemed to be a possible limitation factor. Another interesting observation was the growth rate under $CO_2$ supplement (without acetate) was higher than that under both $CO_2$ and acetate supply. This result is the opposite of the previously reported works. From the result, the existence of acetate may suppress the dark reaction of $CO_2$ fixation or photosynthesis. Conclusively, the growth of H. pluvialis under photoautotrophic condition found to be higher than that under mixotrophic condition.
Kim, So-Young;Cho, Eun-Ah;Yoo, Gui-Jae;Yoo, Ji-Min;Son, Seok-Min;In, Man-Jin;Kim, Dong-Chung;Chae, Hee-Jeong
KSBB Journal
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v.24
no.6
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pp.570-578
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2009
In vitro biological activities such as antioxidant, whitening, anti-hangover and anticancer activities were evaluated. The antioxidant activities of astaxanthin and H. pluvialis extract were significantly higher than that of $\alpha$-tocopherol when the antioxidant activities were determined as xanthine oxidase inhibition, hydroxyl radical scavenging and DPPH radical scavenging. The whitening effect of H. pluvialis extract was about two times as kojic acid. H. pluvialis extract indicated an anticancer activity on a cervical cancer cell line. Astaxanthin showed anti-hangover effect of 1.5 times as jiguja extract. The anti-hangover effect of the inclusion complex (As-$\beta$-CD) was about 1.2 times of jiguja extract. And, the inclusion complex of Haematococcus pluvialis (H.p.-$\beta$-CD) showed almost the same whitening effect as kojic acid.
A simple whole-cell-based sensing system is proposed for determining the cell mass of H. pluvialis using ultraviolet fluorescence spectroscopy. An emission signal at 368 nm was used to detect the various kinds of green, green-brown, brown-red, and red H. pluvialis cells. The fluorescence emission intensities of the cells were highest at 368 nm with an excitation wavelength of 227 nm. An excitation wavelength of 227 nm was then selected for cell-mass sensing, as the emission fluorescence intensities of the cell suspensions were highest at this wavelength after subtracting the background interference. The emission fluorescence intensities of HPLC-grade water, filtered water, and HPLC-grade water containing a modified Bold's basal medium (MBBM) were measured and the difference was less than 1.6 for the selected wavelengths. Moreover, there was no difference in the emission intensity at 368 nm among suspensions of the various morphological states of the cells. A calibration curve of the fluorescence emission intensities. and cell mass was obtained with a high correlation ($R^2=0.9938$) for the various morphological forms of H. pluvialis. Accordingly, the proposed method showed no significant dependency on the various morphological cell forms, making it applicable for cell-mass measurement. A high correlation was found between the fluorescence emission intensities and the dry cell weight with a mixture of green, green-brown, brown-red, and red cells. In conclusion, the proposed model can be directly used for cell-mass sensing without any pretreatment and has potential use as a noninvasive method for the online determination of algal biomass.
In this study, we attempted to understand signaling pathways behind lipid biosynthesis by employing a chemical genetics approach based on small molecule inhibitors. Specific signaling inhibitors of MAP kinase or modulators of cAMP signaling were selected to evaluate the functional roles of each of the key signaling pathways in three different microalgal species: Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella vulgaris, and Haematococcus pluvialis. Our results clearly indicate that cAMP signaling pathways are indeed positively associated with microalgal lipid biosynthesis. In contrast, MAP kinase pathways in three microalgal species are all negatively implicated in both lipid and carotenoid biosynthesis.
In this exploratory study, eight types of microalgae from different phyla (Chlamydomonas reinhardtii, Chlorella species, Haematococcus pluvialis, Porphyridium purpureum, Porphyridium cruentum, Isochrysis species, Isochrysis galbana, and Pavlova lutheri) were tested for their antibacterial activities against eight target pathogenic bacterial strains. The agar well diffusion method and broth micro dilution assay were conducted to estimate the antibacterial activity. Microalgae cell-free supernatants, exopolysaccharides (EPS), water, and organic solvent extracts were used for inhibition analysis. EPS extracted from P. lutheri showed activity against Bacillus subtilis and Pseudomonas aeruginosa. Inhibition zone diameters of 14-20 mm were recorded on agar plates, while the minimum inhibitory concentrations in the broth micro dilution assay were $0.39-25mg\;ml^{-1}$. During this study, haptophyte microalgae, Isochrysis species, and P. lutheri extracts showed the highest activity against most of the tested pathogenic bacterial strains, while most of the extracts were active against the important foodborne pathogen P. aeruginosa. This study showed promising results regarding important microalgae phyla, which will further aid research related to extracts and exploitation of bioactive metabolic compounds in the food and pharmaceutical industries.
KANG MIN-JUNG;YOON SANG-HWAL;LEE YOUNG-MI;LEE SOOK-HEE;KIM JU-EUN;JUNG KYUNG-HWA;SHIN YONG-CHUL;KIM SEON-WON
Journal of Microbiology and Biotechnology
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v.15
no.4
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pp.880-886
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2005
Using carotenoid genes of Erwinia herbicola, metabolic engineering was carried out for lycopene production with the pAC-LYCO4 plasmid, which was composed of a chromosomal DNA fragment of E. herbicola containing the crtE, crtB, and crtI genes under the control of the tetracycline promoter and the ipi gene of Haematococcus pluvialis with the trc promoter. Plasmid pAC-LYCm4 was constructed for efficient expression of the four exogenous genes using a strong RBS sequence and the same tetracycline promoter. The optimized expression construct of pAC-LYCm4 increased Iycopene production three times as compared with pAC-LYCO4. pAC-LYCm5 containing ispA behind the four exogenous genes was constructed. There was no significant difference in Iycopene production and cell growth between pAC-LYCm4 and pAC-LYCm5. FPP synthase encoded by ispA was not rate-limiting for Iycopene production. Each gene of crtE, crtB, crtI, and ipi was overexpressed, using pBAD-crtE, pBAD-crtIB, and pBAD-ipiHPI, in addition to their expression from pAC-LYCm4. However, there was no increase oflycopene production with the additional overexpression of each exogenous gene. The four exogenous genes appeared to be not rate-limiting in cells harboring pAC-LYCm4. When pDdxs, pBAD24 containing dxs, was introduced into cells harboring lycopene synthetic plasmids, lycopene production of pAC-LYCO4, pAC-LYCm4, and pAC-LYCm5 was increased by 4.7-, 2.2-, and 2.2-fold, respectively. Lycopene production of pBAD-DXm4 containing crtE, crtB, crtI, ipi, and dxs was 5.2 mg/g dry cell weight with $0.2\%$ arabinose, which was 8.7-fold higher than that of the initial strain with pAC-LYC04. Therefore, the present study showed that proper regulation of a metabolically engineered pathway is important for Iycopene production.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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