Chlorella vulgaris (dále jen „C. vulgaris“) je jednobuněčná zelená řasa vyskytující se po celém světě. Přestože byl popsán kmen adaptovaný na vysokohorské suchozemské podmínky, jedná se o řasu rostoucí převážně ve sladkých vodách. Název rodu Chlorella se skládá z řeckého chloros (Χλωρός) znamenající zelený a latinské přípony ella vyjadřující mikroskopickou velikost řas. Díky produkci různých metabolitů, jako jsou proteiny, lipidy, polysacharidy, vitamíny, esenciální minerální látky či pigmenty, je C. vulgaris významnou řasou pro mnoho odvětví. Kromě aplikací ve farmaceutickém, kosmetickém a zemědělském průmyslu našla uplatnění i jako doplněk stravy, krmivo, biopalivo nebo dokonce i při čištění odpadních vod.
Historie Řasy se na Zemi objevily před 3,4 mld let. Samotný druh řasy C. vulgaris je mladší, neboť první stopy jsou staré 2,5 mld let a pochází tedy z dob prekambria. Poprvé byla C. vulgaris popsána v roce 1890 holandským vědcem jménem Martinus Willem Beijerinck. Zajímavé nutriční složení řasy zaujalo německé vědce již na počátku 20. století, v 50. letech se již v Carnegie Institute ve Washingtonu povedlo řasu pěstovat ve velkém měřítku. V dnešní době se trh s pěstováním řas stále vyvíjí a jejich využití se dále rozšiřuje. V budoucnu by využití C. vulgaris mohlo konkurovat dnešním konvenčním aplikacím jako nová biotechnologie.
Charakteristika C. vulgaris je jednobuněčná řasa bez bičíku. Buňky mají sférický tvar o průměru 2-10 μm v závislosti na kultivačních podmínkách. Struktura buněk je v mnoha ohledech podobná buňkám vyšších rostlin. Řasy žijí solitérně a mohou se přichytávat na různé materiály.
Morfologie Na povrchu buněk C. vulgaris se nachází poměrně silná buněčná stěna, která je chrání před biotickým a abiotickým stresem. Během růstu buněk se buněčná stěna mění. V rané fázi vývoje je buněčná stěna tvořena křehkou lamelární vrstvou o tloušťce 2 nm. V průběhu maturace se postupně vytváří mikrofibrilární vrstva a buněčná stěna se zvětšuje až do konečné tloušťky 17-20 nm. Složená je především z polysacharidu glukosaminu, celulózy, hemicelulózy, proteinů, lipidů a minerálů. Kromě glukosaminu se v buněčné stěně mohou nacházet i jiné polysacharidy složené z rhamnosy, fukózy, manózy, galaktózy a xylózy. C. vulgaris má také v buněčné stěně vyšší obsah polyaminů, které napomáhají zesíťování biopolymerů a tím přispívají odolnosti buněčné stěny. V závislosti na vnějších podmínkách se tloušťka i složení buněčné stěny může měnit i po dozrání buněk. Zatím není jasné, kolik vrstev se v buněčné stěně C. vulgaris nachází. Je možné, že se počet vrstev liší i v rámci druhu. První možností je dvouvrstevná buněčná stěna. Vnější vrstva může být složena buď z jedné homogenní struktury nebo z trilaminární vrstvy složené z biopolymeru algaenanu. Další možností je jednovrstevná buněčná stěna složená pouze z vnitřní mikrofibrilární vrstvy. Součástí buněčné stěny je pravděpodobně i biopolymer sporopolenin dodávající buněčné stěně tuhost.
Cytoplasma vyplňuje vnitřek buněk řasy. Má gelovitou konzistenci složenou z vody, rozpustných proteinů a minerálů. V cytoplazmě jsou uloženy organely a to vakuoly, jádro, jeden chloroplast, mitochondrie nebo Golgiho aparát.
Mitochondrie mají v buňce na starosti katabolické procesy, ze kterých řasy získávají energii potřebnou pro růst a zajištění životních funkcí. Jsou tvořeny dvojitou membránou. Vnější membrána se skládá ze stejného poměru proteinů a fosfolipidů. Naopak vnitřní membrána má 3× více proteinů než fosfolipidů a obklopuje vnitřní prostor zvaný matrix složený z mitochondriálních proteinů.
Jediný chloroplast v buňce C. vulgaris je obalen dvěma membránami složenými z fosfolipidů. Vnější membrána je propustná pro některé metabolity a ionty, ale vnitřní je ještě selektivnější. Funkcí vnitřní membrány je transport proteinů. Uvnitř chloroplastu se nachází thylakoidy obsahující zelený pigment chlorofyl. Díky chlorofylu mohou buňky zachytávat energii slunečního záření a přeměňovat ji na chemickou. Tento proces se nazývá fotosyntéza. Zachycená sluneční energie je zabudovaná do molekul CO2, které jsou fixovány enzymem RuBisCO uvnitř chloroplastu, ze kterých vzniknou energeticky bohaté molekuly jako je glukóza. Za nepříznivých růstových podmínek se mohou uvnitř chloroplastů tvořit škrobová granula.
Metabolismus
Autotrofní růst Autotrofní růst je pro řasu přirozený proces. Energii, která je potřebná pro syntézu nových sloučenin, získávají řasy ze slunečního záření nebo podobného zdroje světla. Tento jev se nazývá fotosyntéza. Zdrojem uhlíku, ze kterých jsou nové sloučeniny syntetizovány, je CO2.
Heterotrofní růst Při heterotrofním růstu neberou řasy energii ze světelného záření, ale získávají ji prostřednictvím katabolismu složitějších chemických látek. Jedná se o zdroje organického uhlíku, jako jsou cukry, tuky, glycerol, acetát, glutamát a další. Při heterotrofním růstu má biomasa C. vulgaris větší výtěžek než při autotrofním, čehož lze využít při kultivaci řas.
Mixotrofní růst Mixotrofní růst znamená kombinaci autotrofního a heterotrofního růstu. Řasy tak nejsou závislé pouze na energii z absorbovaného světla nebo z rozkladu chemických látek. Samotný autotrofní růst je značně omezen délkou slunečního svitu a heterotrofní růst zase znamená vysokou spotřebu organických substrátů. Při mixotrofním růstu mohou řasy v době, kdy nejsou vystaveny slunečnímu záření, čerpat energii pro buněčné dělení z rozkladu organického uhlíku, proto lze tímto způsobem kultivace získat nejvyšší výtěžek.
Rozmnožování C. vulgaris se rozmnožuje nepohlavně pomocí autosporulace. Proces jednoho reprodukčního cyklu je poměrně rychlý a trvá 24 hodin. Pokud je řasa vystavena stresu pak trvá proces delší dobu. Buněčné dělení se skládá z 6 kroků:
zvětšení mateřských buněk tvorba vnitřní buněčné stěny pro dceřiné buňky rozdělení chloroplastu na dvě druhé dělení chloroplastů na čtyři tvorba a maturace buněčné stěny, rozdělení čtyřech dceřiných buněk prasknutí stěny mateřské buňky a uvolnění dceřiných buněk, které se živí zbytky mateřské buňky
Biochemické složení Biomasa řasy C. vulgaris je složena z primárních metabolitů (lipidů, proteinů, sacharidů) a metabolitů vycházející ze sekundárního metabolismu (pigmenty, vitamíny).
Proteiny Proteiny jsou důležitou součástí řasy C. vulgaris. V buňkách plní stavební, transportní, zásobní, pohybovou, regulační, obrannou, katalytickou a signalizační funkci. Tvoří celkem 42-58 % sušiny biomasy podle růstových podmínek. Přibližně 20 % všech proteinů je vázáno na buněčnou stěnu, více než 50 % tvoří intracelulární proteiny a zbylých 30 % migruje z buňky ven a dovnitř. Molekulová hmotnost proteinů zjištěná pomocí metody SDS-PAGE se pohybuje mezi 12 a 120 kDa (kilodaltonů). Nutriční kvalita bílkovin je dána jejich aminokyselinovým složením. Aminokyselinový profil C. vulgaris je srovnatelný se standardním aminokyselinovým profilem vhodným pro lidskou výživu navržený podle Světové zdravotnické organizace (WHO) a Organizace pro výživu a zemědělství (FAO). Tento druh řasy také produkuje spektrum esenciálních i neesenciálních aminokyselin pro člověka a to jak autotrofně, tak i heterotrofně. Z esenciálních aminokyselin se jedná o histidin, isoleucin, leucin, lysin, methionin, fenylalanin, threonin a valin. Největší podíl z celkových aminokyselin tvoří kyselina glutamová (13,7g/100g proteinů) a kyselina asparagová (10,9g/100g proteinů). Díky vysokému podílu proteinů a příznivému aminokyselinovému složení je C. vulgaris velmi populární v potravinářském průmyslu, jelikož je tato řasa pro člověka velmi nutričně hodnotná. Izolovat proteiny a aminokyseliny z C. vulgaris lze pomocí ultrafiltrace, extrakce alkalickým roztokem a následným sražením rozpustných proteinů pomocí 25% kyseliny trichloroctové a 0,1M kyseliny chlorovodíkové.
Lipidy Lipidy jsou heterogenní skupina sloučenin, jejichž společnou vlastností je rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech a špatná rozpustnost ve vodě. Mezi lipidy, které jsou součástí buněk C. vulgaris, patří glykolipidy, vosky, uhlovodíky, fosfolipidy a volné mastné kyseliny. Za optimálních podmínek růstu mohou lipidy tvořit 5-40% sušiny biomasy řas. Pokud nejsou růstové podmínky příznivé, pak může obsah lipidů v sušině biomasy dosáhnout až 58 %. Lipidy se nacházejí v buněčné stěně a v membránách organel, tvoří interthylakoidní prostor chloroplastu a jako zásobní látky jsou rozprostřeny v podobě hustých kapiček uvnitř cytoplazmy. Profil mastných kyselin, které jsou produkovány řasou C. vulgaris, vykazuje v závislosti na růstových podmínkách velkou variabilitu. Procentuální zastoupení jednotlivých mastných kyselin se proto v rámci studií liší. Přibližné zastoupení nasycených mastných kyselin (SFA) v biomase řas je 70 %, mononenasycených mastných kyselin (MUFA) 17 % a polynenasycených mastných kyselin (PUFA) necelých 10 %. Za optimálních růstových podmínek produkují řasy více polynenasycených mastných kyselin, které jsou příznivé pro lidské zdraví. Mezi ně patří kyselina linolová C18:2, kyselina linolenová C18:3 a kyselina eikosapentaenová C20:5. Z nasycených a mononenasycených mastných kyselin jsou v biomase nejzastoupenější kyselina palmitová C16:0, kyselina stearová C18:0, kyselina palmitolejová C16:1 a olejová C18:1. Izolovat lipidy z biomasy řas lze pomocí extrakce nepolárními rozpouštědly např. dle Brigha a Dyera (směs chloroformu a methanolu), hexanem, petroletherem.
Sacharidy Sacharidovou složku buněk řasy C. vulgaris tvoří skupina redukujících cukrů a také polysacharidy, zejména škrob a celulóza. Škrob je nejzastoupenějším polysacharidem v buňkách. Je ukládán v chloroplastech a společně s redukujícími cukry slouží jako zásobárna energie. Celulóza je strukturní polysacharid, který se nachází hlavně v buněčné stěně jako ochranná bariéra. Dalším důležitým polysacharidem, který se v buňkách nachází je β(1-3)-glukan. Společně s celulózou mají tyto polysacharidy nutriční význam a jsou díky své chemické struktuře prospěšné pro lidské zdraví. Celkové sacharidy tvoří přibližně 12-55 % suché hmotnosti C. vulgaris.
Pigmenty Rostlinné pigmenty se dělí do tří skupin: chlorofyly, karotenoidy a fykobiliny. C. vulgaris produkuje chlorofyly a také několik druhů karotenoidů. Mezi chlorofyly, které řasa produkuje je chlorofyl-a a -b. Tyto pigmenty jsou v řasách nejvíce zastoupené a mohou dosahovat 1-2 % sušiny biomasy. Za vhodných kultivačních podmínek produkuje řasa také mnoho sekundárních metabolitů – karotenoidů. Karotenoidy mají funkci pomocných pigmentů, jelikož pomáhají se zachycováním různých vlnových délek světla. Zachycené světlo pak v podobě energie předávají chlorofylům a hrají tedy důležitou roli při fotosyntéze. Kromě toho také chrání molekuly chlorofylu před degradací způsobenou silným zářením a také kyslíkem, proto mají četné terapeutické vlastnosti jako například antioxidační vlastnosti. Karotenoidy jsou tak společně s chlorofyly uloženy v thylakoidech chloroplastů. Hlavním karotenoidem je β-karoten, dále je to astaxanthin, kanthaxanthin, lutein, feofytin-a a -b a violoxanthin. Pigmenty mají lipofilní charakter, proto z biomasy izolují extrakcí rozpouštědly dimethylformamid, dichlormethan, aceton, hexan a ethanol, extrakcí metodou Soxhlet, extrakcí ultrazvukem nebo superfluidní kritickou extrakcí (SFE).
Vitaminy a minerální látky