Non-Chlorophyll accessory pigments in cyanobacteria: Simultaneous extraction, separation, and maximization

Abstract

Cyanobacteria are considered as a sustainable feedstock for the production of biochemically active compounds such as phycobiliproteins (PBPs). In this study, 12 different cyanobacteria isolated from hot-spring water resources in Ankara province were evaluated for their PBP production efficiency. Morphological analysis and Sanger sequencing revealed that 5 of the strains belong to Nostoc genus, 3 of them belong to Anabaena, and others belong to genus Trichormus, Nodularia, Chlorogloeopsis, and Nodosilinea. Isolated strains have been maintained in nitrogen lacking BG-11 growth medium during the thesis study. Total PBP content of Trichormus sp. IMU26 and Anabaena variabilis IMU8 were found as 23.2% and 17.3% while it was lower than 15% in all other strains studied. The following studies were carried out to see the impact of nitrogen and phosphorus availability on PBP production on diazotrophic cyanobacteria

isolated from hot-spring water resources. For this aim, the strains Trichormus sp. IMU26 and Anabaena variabilis IMU8 were incubated in N-replete, N-lacking, and N-P-lacking BG-11 growth medium. Results showed that nitrogen supply resulted in higher soluble protein and saccharide content but a lower growth rate and PBP production in Trichormus sp. IMU26 and Anabaena variabilis IMU8. Short term (6 days) N-P-deprivation induced PBP production with no clear change in growth while growth and PBP content decreased in the longer incubation period (12 days). Fourier transform infrared spectroscopy results refer that membrane-bound oligosaccharides may have regulatory roles for PBP production in A.variabilis IMU8 during long term diazotrophic cultivation. Moreover, rapid induction of zeaxanthin and β-carotene production and a slight reduction of echinenone and canthaxanthin levels might be associated with increased PBP levels in short term N-P-deprivation of Trichormus sp. IMU26. In conclusion, the thermal diazotrophic cyanobacteria Trichormus sp. IMU26 and Anabaena variabilis IMU8 were introduced to the literature as potential candidates for pilot scale PBP production. Isolated from hot-spring water resources, which differ from sea and spring waters with their unique mineralization and temperature levels, these two cyanobacteria grow well in N-lacking growth medium under room temperature and the contamination risk is fairly low.

Siyanobakteriler, fikobiliproteinler (PBP) gibi biyokimyasal olarak aktif bileşiklerin üretimi için başlıca sürdürülebilir kaynak olarak değerlendirilmektedirler. Bu çalışmada, Ankara il sınırları içerisinde bulunan bazı sıcak su kaynaklarından izole edilen 12 farklı diazotrofik siyanobakteri türü PBP üretimleri bakımından değerlendirilmiştir. Saf olarak elde edilen siyanobakteriler morfolojik analizlerinin yanı sıra Sanger dizileme ile de karakterize edilmiş, türlerden 5’inin Nostoc cinsine, 3’ünün Anabaena cinsine ve diğerlerinin Trichormus, Nodularia, Chlorogloeopsis ve Nodosilinea cinslerine ait türler olduğu belirlenmiştir. Saf olarak elde edilen diazotrofik siyanobakteriler tez çalışması boyunca içerisinde azot kaynağı bulunmayan BG-11 büyütme ortamında kültüre alınmışlardır. Çalışılan türlerin toplam PBP içeriği Trichormus sp. IMU26 ve Anabaena variabilis IMU8 türlerinde sırasıyla yaklaşık % 23.2 ve 17.3 ile en yüksek düzeylerde belirlenmiş, diğer türlerde ise %15’in altında kaydedilmiştir. Takip eden çalışmalarda sıcak su kaynaklarından izole edilen diazotrofik siyanobakterilerin FBP üretimleri ve ilgili parametreleri üzerine azot (N) ve fosfor (P) varlığının etkilerinin belirlenmesi amacıyla Trichormus sp. IMU26 ve Anabaena variabilis IMU8 türleri içerisinde N-bulunan, N-bulunmayan ve N-P-bulunmayan BG-11 büyütme ortamında kültüre alınmışlardır. Yapılan çalışmalarda Trichormus sp. IMU26 ve Anabaena variabilis IMU8 siyanobakterilerinin büyüme ortamına azot kaynağı ilave edildiğinde bu türlerin toplam protein ve karbohidrat içeriklerinde artış ile birlikte büyüme hızında ve PBP üretiminde azalma kaydedilmiştir. Kısa süreli (6 gün) N-P-açlığına bırakılan türlerin büyümelerinde önemli bir değişim olmasa da PBP üretimi artmış, ancak uzun vadede (12 gün) siyanobakterilerin büyüme hızları ve PBP içerikleri dikkate değer düzeyde düşmüştür. Fourier Transform Infrared Spektroskopi analizi ile elde edilen veriler diazotrofik koşullarda kültüre alınan siyanobakterilerde membran-bağlı oligosakkaritlerin PBP üretiminde kayda değer rol üstlenebileceklerini göstermiştir. Öte yandan özellikle Trichormus sp. IMU26 türünde kısa süreli N-P-açlığı ile artan PBP üretiminin yükselen zeaksantin ve β-karoten üretimi ile birlikte ekinenon ve canthaxanthin düzeylerindeki düşüşler ile de ilişkili olabileceği kaydedilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması ile pilot ölçekli FBP üretimi için iki farklı termal diazotrofik siyanobakteri türü; Trichormus sp. IMU26 ve Anabaena variabilis IMU8 siyanobakterileri tanımlanmıştır. Yüksek sıcaklık ve mineralizasyon içeriği bakımından tatlı su ve deniz suyundan oldukça farklı özellikler sergileyen termal sulardan izole edilen bu türler oda şartlarında da rahatlıkla kültüre alınabilmekte, diazotrofik yapıda olduklarından N-eksik büyüme ortamında yüksek büyüme hızı ve PBP üretimi sunmaktadırlar ve ayrıca kontaminasyon riski de oldukça düşüktür.