High value-added products from macroalgae: lipids as bioactive compounds

Abstract

Marine macroalgae are considered to be interesting for food in Western countries and an important supply of novel natural bioactive compounds. Among these are polar lipids such as glycolipids, betaine lipids and phospholipids recognized as high valued lipids for nutrition and as functional ingredient with recognized health benefits. Its biosynthesis depends on several environmental factors such as seasonality, nutrition and habitat, increasing the structural complexity of macroalga lipidome, so that its identification is a current challenge. Mass spectrometry (MS) is a promising tool successfully applied in the study of lipidomic signature of distinct organisms, which can be extended to identify the hundreds of species in the lipidome of macroalgae, and allow them to finally be explored as potential source of lipids. In this work we aim to identify the lipidome of macroalgae representative of Chlorophyta (Codium tomentosum), Rhodophyta (Gracilaria sp. and Porphyra dioica) and Ochrophyta (Fucus vesiculosus). These algae thrive in the Portuguese coast but are recently being cultivated on an integrated multitrophic aquaculture system (IMTA). The characterization of the lipidome will be performed by using mass spectrometry analysis tools coupled to chromatographic methods. We aim to evaluate the bioactive properties of the polar lipids from macroalgae fostering the potential application of these compounds in function of its biological properties as anti-inflammatory and antiproliferative/antitumor agents. The main goals of this project were achieved after the characterization by using HILIC–MS and MS/MS approaches of the lipid extracts carrying on different extraction protocols. The results of this study allowed to identify about 238 molecular species distributed by twelve classes in the macroalgae Codium tomentosum, 147 molecular species in fourteen classes in Gracilaria sp., 110 molecular species in fourteen classes in Porphyra dioica and 181 molecular species distributed by seventeen classes in Fucus vesiculosus. Overall, the lipidome of these macroalgae included GLs monogalactosyl diacylglycerol (MGDG), digalactosyl diacylglycerol (DGDG), sulfoquinovosyl diacylglycerol (SQDG) and its lyso-form (SQMG); phosphatidylcholine (PC) and lyso-PC, phosphatidylglycerol (PG), lyso-PG (LPG), phosphatidic acid (PA), phosphatidylinositol (PI) and betaines (diacylglyceryl trimethyl-homoserine, DGTS). Green macroalgae may be differentiated by the predominance of molecular species including C16 – C20, polyunsaturated fatty acids (PUFA) such as 16:3, 18:3 and 20:5 from n-3 FA family. It contains several molecular species belonging to GLs and betaines including monoacylglyceryl trimethylhomoserine (MGTS), never reported before in the lipidome of macroalga. Red macroalgae are differentiated by molecular species that incorporate C20 FA chains of n-3 and n-6 families, mainly reflected on the composition of GLs.

As macroalgas vermelhas diferenciam-se pelo elevado número de espécies moleculares que incluem cadeias de ácidos gordos C20 da família n-3 e n-6, principalmente na composição dos GLs, e pela presença das classes fosfatidiletanolamina (PE) e inositolfosfoceramida (IPC), apenas identificada nestas algas, pelo que podem ser consideradas um biomarcador deste filo. Neste trabalho, foi avaliada a variação na assinatura lipidómica em duas fases do ciclo de vida (gametófita e esporófita) tomando como alga de estudo a Porphyra dioica. Os resultados obtidos indicaram variações a nível molecular nas classes PC, PA, PE e PG. Em ambas as fases não se observam variações na assinatura dos GLs. O estudo do perfil em ácidos gordos desta alga mostrou que ambas as fases contêm ácidos gordos do tipo 20:4(n-6) e 20:5(n- 3), pelo que apresentam elevado valor nutricional. Na composição da macroalga castanha Fucus vesiculosus, as espécies moleculares combinam diversos ácidos gordos polinsaturados com 18 e 20 átomos de carbono da família n-3 (18:3, 18:4 e 20:5), e 20:4 da família n-6. As algas castanhas apresentam várias espécies moleculares na categoria das betaínas nomeadamente a classe diacilglicerol trimetil-β-alanina (DGTA) e a sua forma liso MGTA, identificada pela primeira vez no lipidoma de macroalgas, ambas não detetadas no lipidoma dos restantes filo. O efeito da sazonalidade na variação da assinatura lipidómica foi estudado para a Fucus vesiculosus colhida em duas estações do ano: inverno e primavera. Os resultados obtidos mostram que o lipidoma desta macroalga mantém o mesmo número de espécies moleculares em todas as classes de lípidos polares, observando-se um aumento da abundância relativa das espécies moleculares que combinam ácidos gordos polinsaturados C18 e C20 (18:3, 18:4, 20:4 e 20:5), em especial nas categorias GLs e betaínas na macroalga de inverno. Assim, podemos concluir que a sazonalidade tem efeito no lipidoma, manifestado pelo aumento de ácidos gordos incorporados nos lípidos polares na macroalga de inverno, muito benéfico em termos nutricionais. Quanto à bioprospecção, avaliaram-se as atividades antiinflamatória e antiproliferativa do extrato lipídico total da macroalga Gracilaria sp.. A atividade anti-inflamatória foi avaliada pela capacidade de inibição dos extratos na produção de NO em macrófagos RAW 264.7 estimulados com o lipopolissacarídeo bacteriano e a atividade anti proliferativa foi testada quanto à capacidade inibitória na proliferação de células T-47D, originadas a partir de um carcinoma ductal humano (cancro da mama) e de células 5637 originadas a partir do carcinoma humano da bexiga. Os extratos totais demonstraram atividade anti-inflamatória e antiproliferativa, pelo que se avaliou o efeito do extrato rico em glicolípidos e a capacidade inibitória na proliferação de células T-47D, verificando-se uma capacidade inibitória da mesma ordem obtida para o extrato total, pelo que poderão ter particular interesse como fitoquímicos. Assim, os resultados obtidos podem contribuir para a valorização das macroalgas como fonte natural e renovável de alimentos, tendo em consideração o valor nutricional como fonte de ácidos gordos n-3 e n-6, e de compostos bioativos a ser utilizados como ingredientes funcionais, fitoquímicos e noutras potenciais aplicações na indústria alimentar e farmacêutica.