DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-026-00598-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42020394
تاريخ النشر: 2026-04-22
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: بيولوجيا الطحالب وإنتاج الوقود الحيوي
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة للحفظ بالتبريد للسيانوبكتيريا Arthrospira platensis (سبيرولينا)، المعروفة بإمكاناتها في تطبيقات المكملات الغذائية، وإنتاج الوقود الحيوي، ومعالجة مياه الصرف الصحي، واحتجاز CO2. تعالج هذه الطريقة القيد الحالي لتخزين خلايا A. platensis القابلة للحياة على المدى الطويل، والتي تعتمد عادةً على الزراعة الفرعية للصيانة. اختبرت الدراسة بشكل خاص سبعة عوامل حماية بالتبريد وحددت مزيجًا من ثنائي ميثيل سلفوكسيد والتريهالوز في وسط زاروك كفعال في الحفاظ على صلاحية الشعيرات خلال التخزين الممتد عند -80 درجة مئوية.
على مدار عام واحد، وُجد أن صلاحية خلايا A. platensis المحفوظة بالتبريد كانت قابلة للمقارنة مع تلك الخاصة بالثقافات غير المجمدة، مما يظهر موثوقية الطريقة. كما أكد الباحثون فعالية تقنية الحفظ بالتبريد هذه عبر أحجام وعبوات وطرق إذابة مختلفة، مما يجعلها مناسبة لتجربة Space Algae-2 على محطة الفضاء الدولية. تتطلب هذه الطريقة الفعالة موارد قليلة وإجراءات بسيطة، مما يشير إلى إمكاناتها للتطبيقات التجارية في الحفاظ على المخزونات الجينية لـ A. platensis.
مقدمة
تناقش المقدمة أهمية *Arthrospira platensis*، المعروفة عمومًا باسم سبيرولينا، مع تسليط الضوء على فوائدها الغذائية وإمكاناتها في مجالات مختلفة، بما في ذلك أنظمة دعم الحياة البيولوجية المتجددة للبعثات الفضائية طويلة الأمد. سبيرولينا غنية بالبروتينات، ومضادات الأكسدة، وفيتامينات ب، وجدارها الخلوي الرقيق يسهل استهلاكها المباشر من قبل البشر. ومع ذلك، تنشأ التحديات في الحفاظ على الثقافات الخالية من الميكروبات بسبب التلوث في أنظمة المفاعلات الحيوية المفتوحة، مما يتطلب الزراعة الفرعية المنتظمة، مما يعرضها لخطر الانجراف الجيني والتلوث.
تستعرض هذه الفقرة أيضًا طرق الحفظ بالتبريد للسبيرولينا، مشيرة إلى أن التقنيات التقليدية أظهرت نجاحًا متغيرًا في الحفاظ على صلاحية الخلايا. على وجه التحديد، أظهرت دراسة أن نهج التجميد التدريجي مع عوامل حماية بالتبريد مختلفة أدى إلى معدلات بقاء منخفضة لبعض السلالات بعد التخزين الممتد. تختتم المقدمة بتقديم طريقة جديدة للحفظ بالتبريد لـ *A. platensis* NIES-39، والتي تستخدم مزيجًا من 10% ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) و10% تريهالوز في وسط زاروك، مما يظهر صلاحية كاملة للخلايا بعد عام واحد عند -80 درجة مئوية. تقترح هذه الطريقة كحل قابل للتطبيق للتخزين على المدى الطويل، مما يسهل استخدام السبيرولينا في تطبيقات الطيران الفضائي دون الحاجة إلى ظروف تجميد أو إذابة متخصصة.
طرق
في هذه الدراسة، بحث المؤلفون فعالية 10% ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) كعامل حماية بالتبريد للحفاظ على الخلايا باستخدام بروتوكول معدل يعتمد على شيرايشي. تم تقييم ثلاث طرق مختلفة لتحضير الخلايا، بدءًا من ثقافة كثيفة عند حوالي 1.6 كثافة بصرية (OD750). تضمنت الطرق: (1) إعادة التعليق، حيث تم طرد الخلايا وترسيبها وإعادة تعليقها في 10% DMSO؛ (2) تركيز CPA، والذي شمل خلط الثقافة الكثيفة مع DMSO؛ و(3) طريقة المزيج 1:1 التي تجمع بين الثقافة الكثيفة مع 20% DMSO. استخدمت كل طريقة 50 ميكرولتر أو 500 ميكرولتر من العينات للحفظ بالتبريد، تلتها عملية تجميد محكومة عند -1 درجة مئوية دقيقة⁻¹ إلى -80 درجة مئوية.
تم تقييم صلاحية ما بعد الإذابة بعد فترة تجميد مدتها 24 ساعة، مع اختبار فترات تخزين مجمدة إضافية لمدة 5 و14-16 يومًا لطريقة المزيج 1:1. تضمنت عملية الإذابة إضافة وسط ZM عند 37 درجة مئوية، تلتها حضانة وزراعة لاحقة تحت ظروف ضوء محددة. كانت الدراسة تهدف إلى تحسين تقنيات الحفظ بالتبريد، مما يساهم في تقديم رؤى قيمة حول صلاحية الخلايا بعد الإذابة وفعالية طرق تطبيق DMSO المختلفة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم طرق مختلفة للحفظ بالتبريد للسيانوبكتيريا A. platensis NIES-39 لتحسين استعادة الخلايا لتطبيقات الطيران الفضائي المحتملة. كانت الطريقة الأولية، التي تضمنت إعادة تعليق الخلايا المترسبة في ZM مع 10% DMSO، قد أسفرت عن معدل استعادة قدره 48% بعد 24 ساعة من التخزين المجمد. أدى نهج مبسط باستخدام مزيج 1:1 من 20% DMSO في ZM قبل التجميد إلى استعادة محسنة قليلاً قدرها 52%. ومع ذلك، أدى الإضافة المباشرة لـ DMSO إلى الثقافة الكثيفة إلى عدم وجود خلايا قابلة للحياة بعد الإذابة. حددت التجارب الإضافية أن الجمع بين 10% DMSO مع إضافات مثل فيكول-70 والتريهالوز عزز بشكل كبير صلاحية الخلايا، حيث حقق مزيج 10% DMSO و10% تريهالوز استعادة ملحوظة قدرها 102% مقارنة بالتحكم غير المجمد.
أظهرت دراسات التخزين على المدى الطويل أن A. platensis يمكن أن تحافظ على صلاحيتها لمدة تصل إلى عام عند -80 درجة مئوية عند حفظها بالتبريد مع 10% DMSO و10% تريهالوز، دون وجود اختلافات كبيرة في أوقات التضاعف عبر فترات التخزين المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تم استكشاف الإذابة عند درجة حرارة الغرفة (RT) كبديل أقل استهلاكًا للموارد مقارنة بإذابة عند 37 درجة مئوية، حيث أظهرت معدلات استعادة قابلة للمقارنة. كما قامت الدراسة بتقييم استقرار محلول عامل الحماية بالتبريد بعد 7.5 أشهر عند درجة حرارة الغرفة، ووجدت عدم وجود آثار سلبية على صلاحية الخلايا. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن طرق الحفظ بالتبريد المحسنة قابلة للتوسع ومناسبة للطيران الفضائي، مع إمكانية مزيد من التحسين للقضاء على استخدام المذيبات العضوية مثل DMSO.
مناقشة
تقيّم فقرة المناقشة في ورقة البحث طرق الحفظ بالتبريد للسيانوبكتيريا *Arthrospira platensis* NIES-39، مع التركيز على فعالية عوامل الحماية بالتبريد المختلفة (CPAs) وتقنيات التجميد. تسلط الدراسة الضوء على أن طرق الحفظ بالتبريد التقليدية، وخاصة تلك التي تشمل 10% DMSO، كانت غير كافية للحفاظ على صلاحية الخلايا خلال التخزين على المدى الطويل عند -80 درجة مئوية، كما يتضح من الانخفاض السريع في الصلاحية بعد خمسة أيام فقط. بالمقابل، أظهر مزيج 10% DMSO و10% تريهالوز خصائص حماية بالتبريد متفوقة، حيث حقق استعادة تصل إلى 88% من الخلايا القابلة للحياة بعد 55 يومًا من التخزين المجمد عند إذابتها بسرعة عند 37 درجة مئوية. لم يقتصر هذا المزيج على تقليل تكوين بلورات الثلج فحسب، بل عزز أيضًا قابلية تكيف عملية الحفظ بالتبريد، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات المحتملة في الطيران الفضائي.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد الدراسة على الاستقرار طويل الأمد لمحلول CPA المكون من 20% DMSO و20% تريهالوز، والذي يمكن تخزينه في درجة حرارة الغرفة لأكثر من سبعة أشهر مع توفير حماية فعالة بالتبريد. تبسط هذه الخاصية لوجستيات الحفظ بالتبريد للبعثات الفضائية، مما يسمح بتصميم تجارب مرنة ويقلل من المخاطر المرتبطة بالتلوث في أنظمة دعم الحياة البيولوجية المتجددة. تشير النتائج إلى أن هذه الطريقة يمكن أن تفيد بشكل كبير كل من التطبيقات الفضائية وصناعة زراعة السبيرولينا بشكل أوسع، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من البحث لاستكشاف فعاليتها عبر سلالات *Arthrospira* المختلفة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-026-00598-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42020394
Publication Date: 2026-04-22
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Algal biology and biofuel production
Overview
The research presents a novel cryopreservation method for the cyanobacterium Arthrospira platensis (spirulina), which is recognized for its potential applications in nutritional supplements, biofuel production, wastewater treatment, and CO2 sequestration. This method addresses the current limitation of long-term storage of viable A. platensis cells, which typically rely on sub-culturing for maintenance. The study specifically tested seven cryoprotective agents and identified a combination of dimethyl sulfoxide and trehalose in Zarrouk’s media as effective in preserving trichome viability during extended storage at -80 °C.
Over a one-year period, the viability of cryopreserved A. platensis cells was found to be comparable to that of non-frozen cultures, demonstrating the method’s reliability. The researchers also confirmed the effectiveness of this cryopreservation technique across various volumes, containers, and thawing methods, making it suitable for the Space Algae-2 experiment on the International Space Station. This efficient method requires minimal resources and straightforward procedures, suggesting its potential for commercial applications in preserving genetic stocks of A. platensis.
Introduction
The introduction discusses the significance of *Arthrospira platensis*, commonly known as spirulina, highlighting its nutritional benefits and potential applications in various fields, including bioregenerative life support systems for long-duration space missions. Spirulina is rich in protein, antioxidants, and B-vitamins, and its thin cell wall facilitates direct human consumption. However, challenges in maintaining axenic cultures arise from contamination in open bioreactor systems, necessitating regular subculturing, which risks genetic drift and contamination.
The section also reviews cryopreservation methods for spirulina, noting that traditional techniques have shown variable success in preserving cell viability. Specifically, a study indicated that a stepwise freezing approach with different cryoprotective agents resulted in low survival rates for certain strains after extended storage. The introduction culminates in presenting a novel cryopreservation method for *A. platensis* NIES-39, which utilizes a combination of 10% dimethyl sulfoxide (DMSO) and 10% trehalose in Zarrouk’s medium, demonstrating full cell viability after one year at -80 °C. This method is proposed as a viable solution for long-term storage, facilitating the use of spirulina in spaceflight applications without the need for specialized freezing or thawing conditions.
Methods
In this study, the authors investigated the efficacy of 10% dimethyl sulfoxide (DMSO) as a cryoprotectant for cell preservation using a modified protocol based on Shiraishi. Three distinct cell preparation methods were evaluated, starting with a dense culture at approximately 1.6 optical density (OD750). The methods included: (1) resuspension, where cell pellets were centrifuged and resuspended in 10% DMSO; (2) CPA concentrate, which involved mixing dense culture with DMSO; and (3) a 1:1 mix method combining dense culture with 20% DMSO. Each method utilized 50 µL or 500 µL aliquots for cryopreservation, followed by a controlled freezing process at -1 °C min⁻¹ to -80 °C.
Post-thaw viability was assessed after a 24-hour freezing period, with additional frozen storage durations of 5 and 14-16 days tested for the 1:1 mix method. Thawing involved adding ZM media at 37 °C, followed by incubation and subsequent culturing under specific light conditions. The study aimed to optimize cryopreservation techniques, contributing valuable insights into cell viability post-thaw and the effectiveness of various DMSO application methods.
Results
In this study, various cryopreservation methods for the cyanobacterium A. platensis NIES-39 were evaluated to optimize cell recovery for potential spaceflight applications. The initial method, which involved resuspending centrifuged cells in ZM with 10% DMSO, yielded a recovery rate of 48% after 24 hours of frozen storage. A simplified approach using a 1:1 mix of 20% DMSO in ZM before freezing resulted in a slightly improved recovery of 52%. However, direct addition of DMSO to the dense culture resulted in no viable cells post-thawing. Further experiments identified that combining 10% DMSO with additives such as Ficoll-70 and trehalose significantly enhanced cell viability, with the combination of 10% DMSO and 10% trehalose achieving a remarkable recovery of 102% compared to non-frozen controls.
Long-term storage studies demonstrated that A. platensis could maintain viability for up to a year at -80 °C when cryopreserved with 10% DMSO and 10% trehalose, with no significant differences in doubling times across various storage intervals. Additionally, thawing at room temperature (RT) was explored as a less resource-intensive alternative to 37 °C thawing, showing comparable recovery rates. The study also assessed the stability of the cryoprotectant solution after 7.5 months at RT, finding no adverse effects on cell viability. Overall, the findings suggest that the optimized cryopreservation methods are scalable and suitable for spaceflight, with potential for further refinement to eliminate the use of organic solvents like DMSO.
Discussion
The discussion section of the research paper evaluates the cryopreservation methods for the cyanobacterium *Arthrospira platensis* NIES-39, focusing on the effectiveness of various cryoprotectants (CPAs) and freezing techniques. The study highlights that traditional cryopreservation methods, particularly those involving 10% DMSO, were inadequate for maintaining cell viability during long-term storage at -80 °C, as evidenced by a rapid decline in viability after just five days. In contrast, the combination of 10% DMSO and 10% trehalose demonstrated superior cryoprotective properties, achieving up to 88% recovery of viable cells after 55 days of frozen storage when thawed rapidly at 37 °C. This combination not only mitigated ice crystal formation but also enhanced the adaptability of the cryopreservation process, making it suitable for potential applications in spaceflight.
Additionally, the study confirms the long-term stability of a CPA solution composed of 20% DMSO and 20% trehalose, which can be stored at room temperature for over seven months while still providing effective cryoprotection. This characteristic simplifies the logistics of cryopreservation for space missions, allowing for flexible experiment designs and reducing the risks associated with contamination in bioregenerative life support systems. The findings suggest that this method could significantly benefit both space applications and the broader spirulina cultivation industry, although further research is needed to explore its efficacy across different *Arthrospira* strains.