Op weg naar een snelle methode voor chemische profilering van microalgenextracten

Hoewel microalgen duidelijk worden geïdentificeerd als een relevante bron van hernieuwbare koolstof op gebieden die verband houden met energie en agrovoeding, heeft deze biomassa ook een aanzienlijk potentieel voor de ontwikkeling van producten met een hoge toegevoegde waarde op gebieden zoals functionele materialen, cosmetica of de farmaceutische industrie.

21 jun. 2019

#

Het is de toegankelijkheid van het chemisch gedeelte na extractie/fractionering/zuivering die de bron van innovatie is. Het lijkt erop dat de identificatie van gespecialiseerde metabolieten gebiosynthetiseerd door microalgen een strategisch punt is om de ontwikkeling van een bioraffinage-sector voor te stellen die duurzaam is vanuit een economisch en ecologisch oogpunt.

Het is in deze context dat een werkwijze dereplication * (figuur 1) werd gebruikt voor de snelle chemische profilering van extracten uit algen. Deze methode genaamd Caramel (Blends karakterisering figuur 2) ontwikkeld door het Molecular Chemistry Instituut Reims (UMR CNRS 7312, University of Reims Champagne-Ardenne), beoogt het versnellen van identificatie van samengestelde verbindingen uit plantenextracten, plantelcelkweek of micro-organismen. Dit door een nieuwe combinatie van i) chromatografische gereedschappen (centrifugale partitie chromatografie voor het genereren van een reeks chemisch vereenvoudigde fracties), ii) samenvatting (13C NMR spectroscopische verkrijging van gegevens over de fracties verkregen data alignment) en iii) statistieken (ongecontroleerde classificatietype hiërarchische cluster), waarbij de chemische structuur voorgesteld wordt door ondervraging van een databank ontwikkeld door het gedragen team. Deze recente ontwikkelingen zijn toegepast om problemen in de sector cosmetische producten aan te pakken en worden nu gebruikt in de chemische profilering van microalgen extracten in het ALPO project om bio-based materialen uit microalgaen biomassa te extraheren. Deze originele aanpak wekt de interesse van verschillende particuliere en academische partners. Tot slot, is een start-up (NatExplore, http://nat-explore.com/) onder leiding van Dr. Jane Hubert (docent aan de UMR 7312) opgericht en worden deze resultaten uit wetenschappelijk onderzoek dagelijks gebruikt.

Chemische profilering door nucleaire magnetische resonantietechnieken wordt aangevuld door massaspectrometrieanalyses. Zoals de naam aangeeft, is deze techniek gebaseerd op de bepaling van de molecuulmassa van onbekende moleculen, specifiek gegeven per definitie, gezien de karaktairisatie van de elementaire compositie van de analyten. Vervolgens kan de primaire structuur van het molecuul, d.w.z. de rangschikking van atomen met elkaar, worden bepaald door middel van tandem massaspectrometrische werkwijzen. De associatie tussen massaspectrometrie en vloeistofchromatografie vertegenwoordigt een krachtige structurele methode voor het identificeren van moleculen in zeer lage concentraties die aanwezig zijn in mengsels of complexe extracten.

Massaspectrometrie is op grote schaal ontwikkeld in de afdeling chemie van de universiteit van Bergen en het is logisch dat de URCA NMR-experts en UMONS MS samenwerken in het ALPO-project voor de "Chemische profilering" van de biomassa van micro-algen oorsprong.

*proces om zo vroeg mogelijk te de aanwezigheid van verbindingen, reeds beschreven in literatuur, te identificeren, in een complex mengsel (ruw natuurlijk extract).


Volgende stappen

De tools die zijn geïmplementeerd, maken het momenteel mogelijk om de impact van unit fractionering op het chemische profiel van de extracten te analyseren. Het is nu geaccepteerd dat het gecombineerd gebruik van spectrale gegevens van NMR en massa een belangrijke toegevoegde waarde heeft in de novo* dereplication en structurele ophelderingsstap. Het toekomstige werk zal daarom bestaan uit het verzamelen van de UMons-gegevens uit de massa van de extracten verkregen door : vaste stof-vloeistofextractie, superkritische CO2-extractie, centrifugale partitiechromatografie. En vervolgens om tools te ontwikkelen om deze te combineren met de spectrale gegevens verkregen door NMR ter optimale chemische karakterisering van de extracten.

*J.-L. Wolfender J.-M. Nuzillard J. Van Der Hooft J._H. Renault, S. Bertrand, Accelerating Metabolite Identification in Natural Product Research: Toward an Ideal Combination of Liquid Chromatography–High-Resolution Tandem Mass Spectrometry and NMR Profiling, in Silico Databases, and Chemometrics. Anal. Chem. 2018, 91, 704-742




J. Hubert, J.-M. Nuzillard, J.-H. Renault, Dereplication strategies in natural product research: How many tools and methodologies behind the same concept?,

J. Hubert, J.-M. Nuzillard, S. Purson, M. Hamzaoui, N. Borie, R. Reynaud, and J.-H. Renault, Identification of natural metabolites in mixture: an original de-replication strategy based on 13C NMR chemical shift pattern recognition, Anal. Chem., 2014, 86, 2955-2962.

A. Scandolera, J. Hubert, A. Humeau, C. Lambert, A. De Bizemont, C. Winkel, A. Kaouas, J.-H. Renault, J.-M. Nuzillard, R. Reynaud, GABA and GABA-alanine from the Red Microalgae Rhodosorus marinus Exhibit a Significant Neuro-soothing Activity through Inhibition of Neuro-inflammation Mediators and Positive Regulation of TRPV1-related Skin Sensitization, Marine Drugs, 2018, 16(3):96, DOI: 10.3390/md16030096