文｜鹤白贤人
编辑｜鹤白贤人
«——【·前言·】——»
紫外线对皮肤的有害影响，引起了商业化无机和合成有机紫外线过滤剂的开发。
这些过滤剂可以减少日晒暴露带来的负面影响，保湿化学物质也广泛用于个人护理产品中，以提高皮肤保水能力。
尽管当前的紫外线过滤剂和保湿化学物质具有明显的益处，但它们也可能产生一些不良反应：接触敏感、雌激素样作用甚至对人体皮肤产生肿瘤形成的影响。
这些化学物质在水环境中的积累可能会造成潜在的危害，因此，人们对从生物源头开发更安全的替代品表现出越来越多的兴趣。
尤其是从光合微生物，如蓝藻中获得，这些微生物已经发展出适应强紫外线辐射和干旱的机制。
为了克服紫外线辐射的有害效应，这些微生物产生了防紫外线化合物，类似真菌孢氨酸的氨基酸和刺青素，它们是当前合成紫外线过滤剂的良好替代品候选物。
一些生活在超干旱环境中的极端嗜高温物种产生的细胞外物质具有很高的保水能力，可以用作化妆品中的保湿剂。
«——【·新趋势·】——»
化妆品和护肤品行业是一个庞大且迅速发展的全球性行业，在美国，有超过2000家与制造和分销化妆品相关的公司。
这些产品是日常护理的重要组成部分，然而，化妆品中可能含有一些产生不良后果的成分。
英国的一项研究显示，一年之内，23%的女性和13.8%的男性对个人护理产品，出现了某种不良反应，化妆品可能会引起接触敏感、雌激素作用，甚至对人体皮肤具有致瘤作用。
广泛使用化妆品导致某些成分在水生环境中普遍存在，可能对水生生物和昆虫产生激素影响。
考虑到使用这些成分可能带来的负面后果，化妆品科学家已经开始研究提供更安全替代品的天然化合物。
生物自我更新和繁殖的能力确保了潜在的可持续供应，对于使用光能、二氧化碳和基本营养物质进行光合作用的光合微生物来说尤为如此。
其实，许多公司都倾向于以植物作为新的化妆品成分的来源选项。
从水生或陆生植物中提取的各种天然物质可以用于防晒霜，因为其既具有紫外线筛选特性，又有抗氧化活性。
被子植物中的类胡萝卜素和酚类物质，褐藻中的藻黄酸和红藻，以及微藻中的类真菌孢氨酸等，都是植物产生的 抗氧化剂和紫外线吸收化合物 。
但商业利用植物存在经济障碍，包括生长速度缓慢、季节性生长、某些物种的栽培挑战、对耕地的需求，以及与食品生产的竞争和活性成分含量低等问题，这些都影响了生产成本。
另一种方法涉及利用光合作用的蓝藻作为化妆品成分的生物来源。
蓝藻是基因可追溯的原核生物，通常具有比高等植物更高的光合和生长速度，这些微生物具有基本的营养需求，并且可以使用不与农业竞争的封闭培养系统进行培养。
最重要的是，几种蓝藻物种生活在超干旱的沙漠中，所产的生代谢物，使它们能够应对高紫外线辐射和严重干燥。
在这些极端环境下的微生物，具有成为用于 防晒霜和保湿剂 等化妆品原料的潜力。
«——【·防晒潜力·】——»
蓝藻是一类多样化的光合细菌，从微小的单细胞到大型丝状形态不一，具有在农业、海洋养殖、生物医药、食品和燃料等领域具有巨大潜力的生物技术应用。
不仅如此，蓝藻还有一个最有趣的特性，因其是耐极端环境的物种，它们能够克服紫外线辐射的有害影响，同时拥有多种规避、保护和修复机制。
其中一个关键机制是产生类似真菌孢氨酸MAAs和刺青素等紫外线吸收、屏障化合物，它们是天然光保护剂。
MAAs是一组超过20种水溶性、可吸收紫外线的代谢物，能够对UV-A波长中高能光子进行屏蔽保护，它们之所以能提供强大的保护作用，是因为MAAs具有极高的摩尔消光系数Ɛ。
MAAs存在于蓝藻和其他藻类，如甲藻的细胞质和外鞘中，在紫外线照射下起着过滤作用，防止UV诱导的损伤，MAAs是低分子量的无色分子，吸收峰通常在310-362 nm之间。
所有的MAA分子都含有一个中心环己酮或环己烯酮环，这是它们吸收紫外线的原因。
在蓝藻中，它们的生物合成通过特定的途径进行，如式甘酸途径和戊糖磷酸途径，MAAs的结构和吸收光谱是由于氮取代基和附加侧基的变化所引起的。
在不同的栖息地中，如海洋环境，高盐池塘，稻田和沙漠，已经在蓝藻物种中发现了不同种类的MAAs。
不同栖息地可能会揭示新的MAAs，最近，从陆地蓝藻Nostoc commune中分离出了糖基化的MAAs。
其中一种MAAs被确定为与六糖结合的紫菜-334衍生物，分子质量为508 Da，另一种MAAs被确定为与两个六糖结合的帕利西芬-苏氨酸衍生物，分子质量为612 Da。
这些纯化的糖基化MAAs可能具有多功能作用，可用作防晒剂和抗氧化剂。
从红藻Porphyra umbilicalis中提取的类真菌孢氨酸被应用于防晒产品Helioguard 365TM和HelionoriTM。
在Helioguard 365TM中，类真菌孢氨酸被封装进脂质体中，可以减少*皮人**肤上的脂质过氧化，改善皮肤的紧致度和光滑度，支持其抵御皮肤过早老化的能力。
在HelionoriTM中使用的MAAs表现出光稳定性和耐热性，能够在浓度为1-4%时降低晒伤并保护细胞膜脂质。
MAAs作为天然的紫外线防晒产品，具有巨大的生物技术潜力，一些研究者们研究了MAAs对DNA损伤的保护效果，并发现它们能够有效地阻止紫外线辐射引发的胸腺嘧啶二聚体形成。
还有三种不同类型的MAAs对人类成纤维细胞的保护效果，这三种MAAs都能够保护细胞免受紫外线诱导的细胞死亡，。
其中mycosporine-glycine的效果最为明显，MAAs对人类皮肤成纤维细胞的增殖有促进作用，这些次生代谢产物在化妆品和化妆用品中具有潜在的应用价值。
除了强大的光保护能力外，MAAs还是具有多种细胞功能的多功能次生代谢物质，在耐极端环境的蓝藻中。
MAAs作为适应性溶质，能够增强细胞对脱水、盐和热胁迫的耐受性。
这些代谢物还是有效的抗氧化分子，能够稳定其环结构内的自由基。
类真菌孢氨酸-甘氨酸能够在氧化应激反应基因和抗氧化酶被诱导之前熄灭单线态氧和羟基自由基。
皮肤的光老化通常是由于暴露在紫外线下产生自由基所致。
使用MAAs处理皮肤可以对抗自由基的生成过程：涂抹含有0.005%紫菜-334封装在脂质体中的乳霜。
在4周后使皮肤的紧致度和光滑度分别提高了10%和12%，与含有合成紫外线过滤剂的乳霜相当。
除了紫外线辐射，营养物供应、盐度和温度等其他因素也已知会影响细胞内MAAs的积累。
令人惊讶的是，在光异养条件下，MAAs的合成高于光自养条件，光和二氧化碳可能成为限制因素。
硫对Anabaena variabilis中shinorine的合成至关重要，而氨能增强shinorine的产量，镁的缺失则会降低该MAA的合成。
优化生长条件可以显著提高蓝藻中这些在生物技术上重要的化合物的产量。
随着这些改进和工业规模的培养技术的发展，这些天然代谢产物有潜力用于补充或取代商业防晒霜。
MAAs的生物合成也得到了研究，似乎存在两种途径。
在蓝藻Anabaena variabilis中，通过shikimate途径，涉及五种酶参与shinorine的合成：一种DAHP合成酶。
还有一种合成酶同源物DHQS，一个O-甲基转移酶O-MT，一个ATP grasp连接酶和一个NRPS-like酶。
Scytonemin在不同的非生物胁迫下具有高度稳定性，并且可以发挥紫外线筛选活性而无需额外代谢投资，已经证明了scytonemin的光保护作用。
同时，scytonemin可以防止多达90%的太阳紫外线辐射进入细胞。
其还具有抗氧化活性，并且能够作为自由基清除剂，防止暴露在紫外线辐射下产生的活性氧种类导致的细胞损伤，Scytonemin还抑制人体中T细胞白血病Jurkat细胞的增殖。
考虑到scytonemin在紫外线筛选和自由基清除方面的潜力，以及其无毒性特性，这种高度稳定的色素为化妆品行业提供了生物技术上的机遇。
«——【·保湿潜力·】——»
极端嗜高温蓝细菌物种拥有保护机制，使它们能够在恶劣的栖息地中生存，超干旱的沙漠和咸盐环境，让其中一种机制产生大量的外部多糖层， 形成保护鞘、粘液或胶囊 。
某些蓝细菌如球孢藻属和星团藻属，能够通过合成内外多糖来在极少水分的环境中生存。
星团藻的耐干旱性与细胞外聚合物物质EPS有着密切关联，使用搅拌器致使均质化菌落，并通过粗滤纸过滤的方式去除星团藻细胞中的EPS，显示出缺乏EPS的细胞对干旱非常敏感。
EPS的亲水和疏水特性使其能够捕获和积累水分，减缓在干旱期间的水分流失，还有研究表明，星团藻的EPS与寡聚半乳糖和尿素相比具有较强的吸湿和保湿能力。
在相对湿度为43%条件下暴露24小时后，EPS的吸湿率远高于寡聚半乳糖和尿素。
传统的保湿霜中使用的保湿剂材料，如尿素、甘油和丙二醇，具有较好的吸湿能力，但它们的保湿能力较差，这导致皮肤对蒸发水分的损失增加。
为了减少这种情况，通常需要使用闭合剂，但这些闭合剂可能存在一些限制，如不良气味、油腻感和潜在的过敏原性。
蓝藻细胞外多糖EPS的保湿能力远高于尿素和壳聚糖，表明蓝藻EPS具有很大的潜力作为化妆品保湿剂，无需结合闭合剂使用。
来自蓝藻Aphanothece sacrum的巨大多糖sacran的保湿能力是透明质酸的10倍。
这种类似果冻状的阴离子多糖由11种单糖组成，每个糖链上约有11%的硫酸基团和12%的羧基团。
有人认为，蓝藻EPS的强大保湿能力，是由于水分子与多糖的亲水性羟基团之间的强烈作用。
蓝藻细胞外多糖EPS还具有抗氧化活性，这也是它适合用于化妆品的另一个特点。
EPS能够清除体外产生的超氧阴离子和羟基自由基，这些化合物还可以增加抗氧化酶的活性，减少脂质过氧化以及减轻因百草枯引起的氧化损伤。
蓝藻多糖可能具有抗病毒活性。
从星罗科霉菌中分离出的一种酸性多糖nostoflan已被证明对HSV-1、HSV-2、人类巨细胞病毒和甲型流感病毒等致病病毒具有抗病毒活性，它能够防止病毒与宿主细胞结合。
蓝细菌物种合成并分泌由高分子量水合分子组成的EPS，这些EPS由一系列糖酸和中性糖残基构成，同时还含有磷酸盐、乳酸、乙酸和甘油等非碳水化合物成分。
蓝细菌EPS还含有硫酸基团，这是细菌中独特的特征。
许多蓝细菌EPS由于存在酯键连接的乙酰基、肽基以及去氧六糖等疏水基团而具有显著的疏水性，但在某些物种中，EPS的组成是不稳定的，受环境变化的影响。
球孢藻细胞具有根据水分压力调整其外层组成的能力，这些物种的干燥培养物拥有由类孢粉素化合物、酸硫酸化和β-链接多糖、脂质和蛋白质构成的复杂外层结构。
这些结构部分形成了一个非常精细的结构，并使得蓝细菌可以缓慢而有序地失去水分。
«——【·笔者结语·】——»
蓝藻作为生物活性化合物的来源，用于化妆品行业的生物技术开发，是一个具有前景的研究领域，这类微生物可以产生屏蔽紫外线的化合物。
MAAs和scytonemin，它们可以作为天然光保护剂，是目前使用的合成紫外线过滤剂的可替代品。
生活在极度干旱环境中的一些嗜极生物种类的蓝藻可以产生大量的外部多糖层，起到保湿的作用，非常适合作为皮肤产品中的保湿剂。
但尽管蓝藻化合物在化妆品行业具有吸引力的特性，但行业所需的大规模经济可持续生产这些生物化合物仍然是一个关键难题。
从环境中发现和表征出优良的蓝藻菌株，并利用现代基因工程方法对其进行驯化和代谢改善，有望显著提高产量。
这些技术改进结合市场需求，应该会导致蓝藻代谢产物在化妆品行业的应用越来越广泛。
«——【·参考文献·】——»
1. Gantar, M., & Kaczmarska, Z. (2011). Sunscreen, antioxidant, and DNA protection properties of mycosporine-like amino acids in aquatic organisms. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 38(3), 377-392.
2. Singh, S. P., Singh, P., & Gupta, R. (2010). Production of sunscreen compound scytonemin from Nostoc muscorum: role of nitrate and iron. Bioprocess and Biosystems Engineering, 33(6), 677-685.
3. Mishra, A., Jha, R., & Singh, P. K. (2011). Enhanced production of UV-absorbing compounds (mycosporine-like amino acids) under stress conditions in freshwater red alga Lemanea fluviatilis. Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology, 104(1-2), 208-215.
4. He, X., Liu, H., Wang, Y., & Xi, Y. (2016). Protective effects of microcystin-LR on UV-B radiation-induced damage in cyanobacterium Anabaena flos-aquae. Journal of Applied Phycology, 28(2), 1075-1081.
5. Gao, Q., Garcia-Pichel, F., & Morrison, G. L. (2012). Biofilm extracellular polysaccharides regulate the spatiotemporal dynamics of gene expression in the filamentous cyanobacterium Chlorogloeopsis PCC 6912. ISME Journal, 6(12), 2361-2372.