* Enrico Doria
* Daniela Buonocore
* Marta Elisabetta Temporiti
La capacità di sintetizzare un’ampia gamma di metaboliti primari e secondari come per esempio pigmenti, antiossidanti, trigliceridi, acidi grassi e vitamine rende interessante l’utilizzo delle microalghe in diversi campi, come per esempio quello della nutrizione umana e animale: nella produzione di alimenti particolari e integratori alimentari, ma anche in quello cosmetico e quello della produzione di biodiesel ed energia.
Le alghe (macroalghe e microalghe) sono organismi fotosintetici unicellulari o pluricellulari in grado di prosperare e riprodursi in ogni tipo di habitat acquatico: dalle acque dolci a quelle marine, salmastre o iperaline, e più in generale ovunque vi sia un’umidità permanente. Le alghe includono organismi evolutivamente molto eterogenei e provenienti da diversi gruppi filogenetici con circa 30.000 specie descritte fino a oggi (Christaki et al., 2012). Questi organismi che popolano il pianeta da quasi 2,5 miliardi di anni, attraverso l’attività fotosintetica di conversione dell’energia solare in energia chimica, accumulano un ampio spettro di metaboliti secondari che possiedono diverse attività biologiche e per questo chiamati “composti bioattivi”. Le altre caratteristiche principali delle alghe sono l’elevato tasso di crescita e la capacità di vivere in diverse condizioni ambientali, in nicchie ecologiche talvolta difficili o estreme che possono promuovere la sintesi e l’accumulo di molti composti bioattivi che costituiscono la difesa chimica delle alghe (Kelman et al., 2012). In particolare le microalghe sono superiori alle piante in termini di produttività, non hanno limitazioni stagionali e grazie ai diversi sistemi di coltura, in fotobioreattori o in vasche aperte, esse costituiscono una fonte potenzialmente inesauribile di biomassa che trova diverse applicazioni (Christaki et al., 2012). La capacità di sintetizzare un’ampia gamma di metaboliti primari e secondari come per esempio pigmenti, antiossidanti, trigliceridi, acidi grassi e vitamine, infatti, rende interessante l’utilizzo delle microalghe in diversi campi, come per esempio quello della nutrizione umana e animale (nella produzione di alimenti particolari, integratori alimentari, etc.), quello cosmetico e quello della produzione di biodiesel ed energia (Borowitzka, 2013).
Questi organismi sono sfruttati dall’uomo fin dall’antichità. In Asia, infatti, si sono trovate tracce dell’utilizzo di Nostoc e Aphanizomenon in campo alimentare risalenti a più di 2000 anni fa e in America centrale, sulle rive del lago Texcoco, già la civiltà azteca consumava Spirulina sotto forma di farine da integrare nell’impasto di diversi cereali. È stato riportato che Marco Antonio cercò di impressionare e sedurre Cleopatra offrendo il Mar Morto come immensa spa personale alla regina egiziana, essendo l’acqua di questo mare ricca della presenza della microalga Dunaliella salina, unica in grado di sopravvivere alle condizioni estremamente saline e capace, con i suoi pigmenti colorati, i carotenoidi, di rafforzare e proteggere la pelle.
Il desiderio e la ricerca del benessere, della bellezza personale, inseguita sin dall’antichità, sono oggi il motore dell’industria cosmetica, la quale a oggi fa registrare un giro d’affari annuo di oltre 150 miliardi di dollari, secondo le stime della francese Eurostaf (Arora et al., 2012). E nel prossimo futuro tale industria continuerà a svilupparsi, venendo incontro anche alle richieste di mercato dei paesi emergenti. Un altro aspetto che va tenuto in considerazione è la crescente domanda di prodotti cosmetici naturali, che rispettino i principi della sostenibilità ambientale, oltre che economica. E a questo riguardo, le alghe costituiscono un’ottima fonte di molecole funzionali che possono essere impiegate in cosmetica.
Alghe in cosmesi
L’utilizzo delle alghe in cosmesi ha ricevuto molta attenzione negli ultimi anni; esistono, infatti, diverse specie algali che sono note per il loro effetto benefico, dimostrandosi molto utili nel trattamento anti-invecchiamento, come rimedio agli inestetismi della pelle, o ancora come agente sbiancante della pelle (Wang et al., 2015). Alcune specie di alghe, siano esse marine o di acqua dolce, come per esempio quelle riportate in tabella 1, sono già state utilizzate in alcune formulazioni cosmetiche come agenti idratanti e addensanti, anche in combinazione con diverse altre molecole bioattive; mentre altre specie di alghe rimangono in gran parte inutilizzate a causa di un’apparente mancanza di conoscenza relativa ai composti attivi primari utili come ingredienti in questo settore.
Non ci sono ancora molti studi riguardanti la capacità di molecole bioattive estratte da alghe di agire sulla protezione o rigenerazione della pelle, tuttavia sono stati identificati diversi principi attivi derivati dalle alghe che possono essere usati per prevenire imperfezioni cutanee, seborrea, riparare la pelle danneggiata, inibire processi infiammatori e assicurare una corretta idratazione della pelle. La protezione contro i raggi UV e di conseguenza contro l’invecchiamento della pelle è assicurata da alcuni polisaccaridi come i fucoidani e gli alginati estratti da diverse alghe brune quali Fucus vesiculosus e Turbinaria conoides (Jea et al., 2009). I radicali liberi delle specie reattive dell’ossigeno (ROS), che aumentano in seguito alla prolungata esposizione ai raggi UV, sono i responsabili del danneggiamento di diverse componenti strutturali e funzionali delle cellulari, in particolare delle proteine, del DNA e dei lipidi di membrana. L’azione fortemente antiossidante dei polisaccaridi come il fucoidano, un polimero complesso formato da fucosio legato a gruppi solfato, che viene utilizzato in diversi preparati cosmetici insieme a vitamine ed estratti vegetali, gioca un ruolo molto importante nella prevenzione di infiammazioni cutanee, di melanomi e del cancro alla pelle causati dall’accumulo dei ROS. Il fucoidano è stato oggetto di studio sin dagli anni ‘70 del secolo scorso, quando sono stati provati molti dei suoi effetti benefici sulla salute umana, legati specialmente alla sua attività antiproliferativa cellulare (Pallela et al., 2010). È stato dimostrato recentemente che i fucoidani inibiscono l’espressione genica di alcune metallo-proteinasi, enzimi coinvolti nella degradazione di diverse componenti della matrice extracellulare del derma come il collagene o la fibronectina, la cui elevata e prolungata attività, come per esempio in seguito a una prolungata esposizione solare, ha come conseguenza la formazione di rughe, macchie cutanee e altri inestetismi della pelle (Wang et al., 2013). Un effetto protettivo simile è stato riscontrato in alcuni metaboliti secondari (MMAs – Mycosporine-like amino acids) presenti nelle alghe rosse come Porphyra umbilicalis, nota soprattutto per il suo impiego alimentare nel sushi ma oggi utilizzata, per la sua ricchezza di vitamine, anche come costituente di diversi integratori presenti sul mercato (Shick and Dunlap, 2002).
I florotannini sono un’altra classe di metaboliti secondari estratti principalmente da alghe marine come Corallina pilulifera e Sargassum horneri, in grado di promuovere la sintesi di collagene e per questo impiegati in alcuni preparati cosmetici anti-invecchiamento (Thomas and Kim, 2013). Le alghe brune marine costituiscono una ricca fonte di molecole potenzialmente utili nelle applicazioni cosmetiche; le alghe del genere Fucus contengono composti di natura steroidea, i fucosteroli, che grazie alle notevoli proprietà antiossidanti, proteggono i cheratinociti da possibili danni legati all’esposizione ai raggi UV e promuovono la sintesi di collagene (Kim et al., 2013).
Nella cultura asiatica principalmente, ma anche in Africa e in Sudamerica, lo sbiancamento della pelle è una pratica molto comune in quanto il candore cutaneo è visto come un importante requisito di bellezza. Per questa ragione, prodotti cosmetici depigmentanti hanno un florido mercato, con stime di ulteriore crescita per i prossimi anni. La melanogenesi è un processo complicato che coinvolge diversi passaggi biosintetici e meccanismi di trasduzione del segnale, ma uno degli enzimi-chiave nella sintesi della melanina è una tirosinasi, la cui espressione e attività sono promosse dall’esposizione ai raggi solari; molecole con la funzione di inibire l’azione della tirosinasi sono dunque alla base di prodotti cosmetici sbiancanti. Le alghe marine hanno recentemente attirato l’attenzione per la presenza di composti secondari che bloccano o diminuiscono i livelli di espressione della tirosinasi, favorendo quindi il processo di depigmentazione (Wang et al., 2015). Alcuni di questi composti recentemente studiati per la possibilità di far parte di preparati cosmetici sbiancanti sono i derivati del floroglucinolo, del quale una delle fonti di estrazione più conosciuta e studiata è Ecklonia stolonifera, un’alga bruna che popola il mar del Giappone (Babitha and Kim, 2011). Senza dubbio uno dei pigmenti più interessanti per la capacità di regolare negativamente la melanogenesi, è la fucoxantina, una xantofilla presente nelle alghe brune (sia macro che microalghe) e oggetto di alcune ricerche recentemente pubblicate. Laminaria japonica, un’alga bruna utilizzata nella cucina popolare asiatica per l’elevato contenuto di sali minerali tra cui lo iodio (e quindi indicata per la cura di disfunzioni della tiroide), sembra accumulare alti livelli di questo pigmento in grado di sopprimere l’attività tirosinasica (Thomas and Kim, 2013).
Il mantenimento dell’idratazione è uno degli aspetti che aiuta a rallentare l’invecchiamento della pelle e a mantenere la sua elasticità. Sono diversi i prodotti cosmetici che contengono sostanze che favoriscono la corretta idratazione dell’epidermide e sempre nuovi studi sono incentrati alla ricerca di nuovi composti all’insegna della sostenibilità. Oggi, infatti, molti formulati ad azione idratante contengono principalmente idrossi-acidi di origine vegetale o animale, ma data la loro scarsa disponibilità, i costi di produzione sono elevati (Wang et al., 2015). Una possibile alternativa è rappresentata da polisaccaridi estratti dalle alghe brune e rosse che sembrano in grado di legare diverse molecole di acqua contemporaneamente, mantenendo così un elevato grado di idratazione del derma. Alcune prove sperimentali hanno dimostrato come i polisaccaridi estratti da Saccharina japonica siano più efficaci degli idrossi-acidi nella funzione idratante, candidandosi cosi come possibili additivi cosmetici di grande importanza (Wang et al., 2013).
Lo squalene, un triterpene contenuto in Thraustochytrium e Aurantiochytrium, è uno degli ingredienti di svariate formulazioni cosmetiche ad azione emolliente e idratante (Pora et al., 2014).
Le microalghe e la cosmetica
Fin qui sono state descritte diverse macrolaghe marine che sono utilizzate o studiate per le applicazioni cosmetiche più svariate. Anche le microalghe e i cianobatteri come Spirulina però rappresentano una fonte molto importante di molecole funzionali (Fig. 1); ingredienti attivi estratti da diverse microalghe sono correntemente utilizzati in preparazioni cosmetiche, sebbene debba essere percorsa ancora molta strada nello studio dei loro meccanismi d’azione (vedi tabella 2). Diverse microalghe trovano impiego nella cosmetica per la presenza di polisaccaridi che, come specificato prima, funzionano da agenti idratanti oppure da addensanti in formulazioni cosmetiche cremose. Chlorella, una microalga molto diffusa negli ambienti acquatici dolci, contiene percentuali elevate di -13,3-glucano, un polisaccaride che, oltre alle proprietà sopra descritte, da ricerche recentemente pubblicate è risultato essere un ottimo neutralizzatore di radicali liberi e un agente immunostimolante potenzialmente coinvolto in attività anti-infiammatorie (Mourelle et al., 2017; Koller et al., 2014). Grazie alla capacità di contrastare i radicali liberi prodotti dall’esposizione ai raggi solari o dal normale metabolismo cellulare, si sta studiando la possibilità d’impiego di questi composti in preparazioni cosmetiche anti-invecchiamento. Oltre a Chlorella, anche Nostoc flagelliforme e Porphyridium accumulano buone percentuali di -glucani. Estratti di Chlorella vulgaris sono attualmente studiati come componenti aggiuntivi di preparati cosmetici “anti-aging” per la capacità di induzione di meccanismi di riparazione del collagene (Chandra et al., 2017). Il potenziale antiossidante di molte microalghe e cianobatteri può essere di grande interesse per l’industria cosmetica; i carotenoidi, pigmenti colorati (variano dal giallo al rosso) che si accumulano nel cloroplasto e hanno la funzione di proteggere l’apparato fotosintetico dal danno ossidativo prodotto dalle radiazioni luminose, stanno trovando sempre maggiore applicazione industriale come coloranti, ma anche come additivi antiossidanti in diversi preparati cosmetici (Ye et al.,2008). I pigmenti maggiormente utilizzati sono il -carotene e l’astaxantina; il primo è estratto da diverse microlaghe, mentre il secondo carotenoide, di colore rosso acceso, viene accumulato principalmente da Haematococcus pluvialis. Questa microalga è dotata di una parete cellulare voluminosa e fortemente addensata, formata per il 75% da proteine. In condizioni ambientali di stress, che non favoriscono la riproduzione cellulare, quest’alga aumenta drasticamente il proprio volume accumulando nel proprio citoplasma elevati livelli di astaxantina, che può arrivare fino al 5% del peso secco totale (Han et al., 2013). L’astaxantina è una xantofilla dotata di potere antiossidante tra i più elevati in natura, cento volte più potente dell’acido ascorbico o della vitamina E, e in media 10 volte più potente degli altri carotenoidi. Le sue applicazioni in cosmetica, essenzialmente come ingrediente nelle creme solari, sono legate all’effetto protettivo della pelle dalla foto-ossidazione indotta dagli UV (Mourelle et al., 2013). Sono molte le microalghe capaci di accumulare una buona percentuale di questa xantofilla, tra queste le più studiate e quelle che ne sintetizzano in quantità maggiori sono Botryococcus braunii (fino allo 0.01% del peso secco), Chlamydocapsa (fino allo 0.04% del peso secco), Chlorella zofingiensis e Nannochloropsis sp. (fino allo 0.7% del peso secco), Neochloris wimmeri e Protosiphon botryoides (fino all’1.5% del peso secco), Scenedesmus sp. (fino allo 0.3% del peso secco), Scotiellopsis oocystiformis (fino all’1% del peso secco) (De Jesus Raposo et al., 2015; Han et al., 2013).
Anche altri carotenoidi accumulati in diverse microalghe presentano attività biologiche molto importanti, dall’attività antinfiammatoria a quella foto-protettiva; Dunaliella salina, tra le altre microalghe, accumula rilevanti quantità di beta-criptoxantina, un carotenoide implicato in meccanismi antinfiammatori e coinvolto nell’induzione della sintesi di acido ialuronico (Tang et al., 2011). Altri pigmenti (carotenoidi e clorofille) estratti da microalghe sono utilizzati in alcuni prodotti cosmetici come deodoranti, per la capacità di coprire gli odori, in dentifrici o in altri prodotti di igiene del corpo (Hosikian et al., 2010). Un altro carotenoide, la cantaxantina, è presente in alcuni integratori alimentari commercializzati con l’intento di facilitare l’abbronzatura della pelle durante l’esposizione ai raggi solari. Molte microalghe sono ricche di questo pigmento, in particolare quelle del genere Nannochloropsis, che colonizzano ecosistemi marini dalle caratteristiche molto diverse e sono conosciute anche per la capacità di accumulare alte percentuali di acidi grassi polinsaturi (PUFA) (Lubián et al., 2000). Le ficocianine, complessi proteici dal colore verde/azzurro associati ai sistemi fotosintetici delle alghe azzurre e cianobatteri, trovano impiego in cosmesi come prodotti di make-up e trucco occhi. Senza dubbio, tra i carotenoidi maggiormente conosciuti, ci sono il licopene e la luteina. Il primo, che si trova abbondantemente in natura in diversi vegetali ma soprattutto nel pomodoro, ha un elevatissimo potere antiossidante e per questo utilizzato, allo stesso modo di altri carotenoidi descritti prima, come componente in creme di protezione solare. Diversi cianobatteri, in particolare Nostoc e Anabaena vaginicola, accumulano buone percentuali di licopene (Hashtroudi et al., 2013). La luteina, una delle xantofille più diffuse in natura e commercialmente estratta dai fiori di calendula, manifesta il suo potente effetto antiossidante principalmente nella macula della retina. Diverse microlaghe ne sono ricche, specialmente quelle del genere Scenedesmus, Chlorella e Dunaliella, in grado di accumularne fin oltre 3 mg/g di peso secco. Le proprietà biologiche della luteina sono varie e molto conosciute, dall’abbassamento dei livelli di colesterolo nel plasma, alla protezione contro alcune forme tumorali, alla riduzione dei livelli di glicemia. In campo cosmetico, la luteina è principalmente usata come colorante e, in combinazione con il tocoferolo o il carotene, anche come principio attivo antiossidante (Sun et al., 2016).
Gli attuali costi di produzione della luteina sono molto elevati, in quanto come già accennato, la fonte principale di estrazione è il fiore di calendula. Le alghe dunque potrebbero rappresentare un’alternativa interessante per le elevate quantità di pigmento che riescono ad accumulare in certe condizioni ambientali e per tutti i vantaggi che sono stati raccontati a inizio dell’articolo. La possibilità, infatti, di coltivare specifiche microalghe d’interesse in condizioni controllate come nei fotobioreattori, permette di ottenere la biomassa necessaria per la produzione sostenibile di composti bioattivi in scala industriale. Dall’altro lato però, la raccolta della biomassa e l’estrazione dei metaboliti d’interesse, che rappresentano gli step industriali a valle della coltivazione delle alghe, costituiscono i punti critici che non permettono ancora di abbassare sensibilmente i costi di produzione. Tra gli obiettivi della ricerca ci sono quelli di migliorare la tecnologia alla base dei sistemi di separazione della biomassa cellulare dal terreno di coltura e l’efficienza di estrazione dei composti bioattivi desiderati, rispettando l’ambiente e mantenendo i costi contenuti.
La ricerca dell’Università di Pavia
Il gruppo di ricerca del Dipartimento di Biologia e Biotecnologie dell’Università di Pavia, guidato dal prof. Erik Nielsen, dalla dott. Maurizia Dossena e di cui gli autori fanno parte, e che riunisce competenze di biochimica e fisiologia vegetale con quelle della farmacologia, conduce diverse ricerche riguardanti le microalghe e loro possibili applicazioni. Uno degli obiettivi che il gruppo si è posto è, da un lato, quello di trovare le condizioni di coltura più adatte per favorire l’accumulo di metaboliti di interesse (principalmente carotenoidi e lipidi), e dall’altro, sviluppare tecniche di estrazione da alghe eco-sostenibili ed economicamente vantaggiose, diminuendo l’uso di solventi organici. In particolare, questo gruppo di ricerca ha posto la propria attenzione su tre ceppi di microalghe: Scenedesmus obliquus, Haematococcus pluvialis, Fibrocapsa japonica. Un nuovo ceppo di Scenedesmus obliquus (Fig. 2), isolato dalle acque reflue di un impianto di depurazione di Pavia dal gruppo di ricerca pavese, è stato sottoposto a diversi stress ambientali (ossidativo, edafico e osmotico) al fine di determinare un cospicuo accumulo di luteina. I dati preliminari ottenuti hanno mostrato come lo stress ossidativo, prodotto per esempio dall’aggiunta di H2O2 nel mezzo di coltura, aumenta il contenuto di luteina nelle cellule di oltre tre volte rispetto alla coltura di controllo (Fig. 3), senza diminuire eccessivamente la percentuale di crescita delle alghe, almeno entro i primi 10 giorni. Questi esperimenti sono stati condotti finora in scala di laboratorio, in colture in beuta, non permettendo le rese decisamente più elevate ottenute nelle colture in fotobioreattore (Fig. 4).
L’aumento dello stress luminoso e il cambiamento delle condizioni trofiche del mezzo di coltura, cioè l’aggiunta di una fonte di carbonio come un sale acetato, hanno permesso invece di saggiare le variazioni del contenuto di astaxantina e altri carotenoidi e di quello dei lipidi in colture di un ceppo argentino di Haematococcus pluvialis. Questo studio, riassunto nella tabella 3, contribuisce, almeno in parte, a chiarire alcune importanti correlazioni tra l’accumulo di xantofille di interesse nutraceutico e cosmeceutico (astaxantina e luteina specialmente) e quello dei lipidi, anch’essi utili per diverse applicazioni (Doria et al., 2018).
Per quanto riguarda Fibrocapsa japonica, una microalga marina conosciuta soprattutto per essere responsabile delle fioriture estive che colorano di giallo alcuni mari, come quello Adriatico, e che spesso risultano tossiche per i pesci, il gruppo di ricerca sta investigando sulla capacità dell’alga di produrre un carotenoide molto interessante, la fucoxantina. Lo scopo della ricerca è quello di chiarire il meccanismo con cui la xantofilla estratta da Fibrocapsa inibisce la tirosinasi nel processo di formazione della melanina e al contempo promuove la sintesi di collagene. Poiché non ci sono molti studi pubblicati sull’accumulo di fucoxantina in questa microalga bruna, la ricerca svolta potrebbe aprire qualche scenario per l’uso del carotenoide in ambito cosmetico.
* UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA – Dip. di Biologia e Biotecnologie “L.Spallanzani”
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