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 har vi fått til å lage algemutanter hvor produsert diatoxanthin viste seg å være stabilt i mange timer etter at algecellene ble fjernet fra lyskilden. Dette muliggjør storskalaproduksjon av pigmentet. Vi har nå utført videre geneditering av disse algestammene i et forsøk på å få algene til å overprodusere diatoxanthin uten å være avhengig av å utsette dem for veldig sterkt lys. Forsøk for å se om de nye mutantene har de ønskede egenskapene er pågående. Ut ifra resultatene fra de nyeste forsøkene som er gjort, så virker det som om vi har fått til å lage algestammer som har de egenskapene vi er ute etter. Videre vil vi finne optimale dyrkingsbetingelser, og høstings- og prosesseringsmetoder som sikrer høyt utbytte og intakt bioaktivitet av pigmentet. I forsøkene våre som fokuserer på om diatoxanthin kan beskytte hudceller fra de skadelige effektene av sollys, så har vi bevist at diatoxanthin ikke viser cytotoksiske eller fototoksiske egenskaper. I tillegg så har vi sett at diatoxanthin kan redusere dannelsen av reaktive oksygenforbindelser når cellene utsettes for lave UV-doser, noe som støtter hypotesen om at diatoxanthin kan gi helsefordeler, men den samme effekten ble ikke observert ved høyere UV doser. Videre forsøk vil bli utført med mer biologisk relevante 3D hudkulturmodeller og med hudkreftmodeller. 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.