KSP: Industrial-scale production of diatoxanthin – a high-value product from microalgae with anti-cancer and anti-inflammation properties

I DIATOX genediterer vi mikroalger for å muliggjøre industriell produksjon av det sjeldne pigmentet diatoxanthin. Forskning tyder på at diatoxanthin har antioksidant- og anti-inflammatoriske egenskaper, og i tillegg egenskaper som potensielt kan forhindre kreftutvikling. Diatoxanthin finnes kun i enkelte grupper av mikroalger og produseres kun når algene må beskytte seg mot sterkt lys. Diatoxanthin kan sees på som et «solbrillepigment». Forskning på dette sjeldne pigmentet er begrenset, men nyere data tyder på at diatoxanthin har høyere bioaktivitet enn kommersielt tilgjengelige pigmenter. Kommersiell produksjon av diatoxanthin fra «naturlige» mikroalger vil ikke være mulig siden pigmentet hurtig fjernes fra cellene når de ikke lenger utsettes for sterkt lys, noe som vil være tilfelle under høsting av algebiomasse i stor skala. Produksjon av kommersielt interessante nivå av diatoxanthin i «naturlige» mikroalgeceller vil også være avhengig av at kulturen utsettes for sterkt lys over lengre tid. Dette kan være teknisk utfordrende ved høye algekonsentrasjoner og forbundet med høye strømkostnader i land hvor algeproduksjonen er avhengig av kunstig lys. I løpet av det første året av DIATOX-prosjektet lyktes vi i å lage algemutanter hvor diatoxanthin, som normalt akkumuleres under sterkt lys, forble stabilt i cellene i flere timer etter at algene ble fjernet fra lyskilden. Denne egenskapen gjør storskala produksjon av diatoxanthin mulig. Videre geneditering har nå blitt utført på disse stammene, noe som har resultert i en produksjonsstamme som danner diatoxanthin uten at man er avhengig av å utsette algene for veldig sterkt lys. Optimale dyrkingsbetingelser er identifisert. Metoder for høsting og prosessering som sikrer høyt utbytte og intakt bioaktivitet av pigmentet utvikles i løpet av den siste delen av prosjektperioden. Våre undersøkelser av hvorvidt diatoxanthin kan beskytte menneskelige hudceller mot de skadelige effektene av sollys, har så langt vist at pigmentet ikke har cytotoksiske eller fototoksiske egenskaper, noe som er viktig å avgjøre før videre forskning utføres. I tillegg så førte behandling av celler med diatoxanthin, før eksponering av cellene for lave nivåer av UV-stråling, til lavere dannelsen av reaktive oksygenforbindelser. Dette støtter hypotesen om at diatoxanthin kan ha positive helseeffekter. Foreløpige data indikerte imidlertid at inflammasjon og DNA-skader som følge av høyere nivåer av UV-stråling ikke ble redusert. Vi undersøker nå metoder for å forbedre leveringen av diatoxanthin inn i hudcellene og vi vil så teste de krefthemmende egenskapene til pigmentet. Kommersielle standarder for diatoxanthin er både kostbare og begrenset i tilgjengelighet, men våre mikroalgestammer tilbyr et lovende alternativ. Vi har derfor startet arbeidet med å isolere diatoxanthin fra mikroalger i en tilstrekkelig ren form for å studere dets potensielle fotobeskyttende og krefthemmende effekter på menneskelige hudceller. Så langt har vi oppnådd en beriket fraksjon, men et siste rensetrinn gjenstår – dette vil være hovedfokus for kommende forskning. Potensiale for kommersiell produksjon vil bli evaluert av bedrifter med erfaring innen storskalaproduksjon av mikroalger i siste halvdel av prosjektperioden. Produksjon av et høyverdiprodukt som diatoxanthin kan gjøre mikroalgedyrking lønnsomt og åpne for muligheten til å bruke resten av algebiomassen til fôr eller biodrivstoff.

Microalgae are a sustainable resource that have the potential to meet the world’s energy, feed and material needs. However, the microalgae industry is still in its infancy, and several challenges need to be overcome to lower the production costs of microalgae ingredients. Production of high-value compounds like carotenoids has the potential to secure economic viability of the microalgae industry and pave the way for use of the rest of biomass for e.g. feed and biofuel. Carotenoids are beneficial for human health through their antioxidant effects and might offer protection against a variety of diseases. Recently, the photoprotective carotenoid diatoxanthin has been shown to have pronounced bioactivity, outperforming commercially available carotenoids as a potential disease preventing agent. However, to enable industrial production of the pigment it is necessary to overcome the dependence of prolonged exposure to high light intensities to reach commercially interesting pigment levels and to avoid loss of accumulated diatoxanthin during harvesting of the biomass. In this project we aim to establish a diatoxanthin production line suitable for large-scale commercial production of the pigment. Microalgae mutant lines that overproduce diatoxanthin without the need for high intensity light and where the accumulated product is stable after removal of the algae cells from the light source will be created. Growth conditions will be optimized, and methods will be established for harvesting and processing of the diatoxanthin-containing biomass to maximize yield and secure intact bioactivity of the pigment. To confirm the bioactivity of diatoxanthin and expand upon its published effects relevant to human health, antioxidative, photoprotective and chemotherapeutic properties will be evaluated. The potential for commercial production of diatoxanthin using the gene edited algae strains will be explored by companies experienced in industrial-scale cultivation of microalgae.