Astratto:È noto che gli ambienti terrestri ospitano un'immensa biodiversità microbica. Esposti a diversi tipi di stress, come le radiazioni UV, le fluttuazioni di temperatura, la disponibilità di acqua e la competizione inter/intra-specifica per le risorse, i microrganismi terrestri si sono evoluti per produrre un ampio spettro di molecole bioattive. Batteri, archaea, protisti, funghi e alghe hanno mostrato un alto potenziale per la produzione di biomolecole per scopi farmaceutici o altri scopi industriali in quanto combinano un processo di produzione sostenibile, relativamente economico e veloce. Qui, forniamo una panoramica delle diverse molecole bioattive prodotte da microrganismi terrestri con applicazioni di protezione della pelle. L'alto contenuto di composti polifenolici e carotenoidi prodotti da diversi ceppi e la presenza di esopolisaccaridi, melanine, derivati ​​indolici e pirrolici, ciclosporina, acidi carbossilici e altre molecole, sono discussi nel contesto del loro potere antiossidante, fotoprotettivo e sbiancante per la pelle attività. Vengono inoltre discussi gli strumenti biotecnologici rilevanti sviluppati per la produzione potenziata di prodotti naturali ad alto valore aggiunto, nonché l'effetto protettivo di alcuni enzimi antiossidanti, idrolitici e degradanti. Inoltre, descriviamo classi di composti microbici che vengono utilizzati o possono essere potenzialmente utilizzati come antimicrobici, idratanti, biosurfattanti, pigmenti, aromi e fragranze.

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Secondo studi pertinenti,cistancheè un'erba comune conosciuta come "l'erba miracolosa che prolunga la vita". Il suo componente principale ècistanoside, che ha vari effetti comeantiossidante, antinfiammatorio, Epromozione della funzione immunitaria. Il meccanismo tra cistanche epellesbiancanterisiede nell'effetto antiossidante della cistancheglicosidi. La melanina nella pelle umana è prodotta dall'ossidazione della tirosina catalizzata datirosinasie la reazione di ossidazione richiede la partecipazione dell'ossigeno, quindi i radicali liberi dell'ossigeno nel corpo diventano un fattore importante che influenza la produzione di melanina. Cistanche contiene cistanoside, che è un antiossidante e può ridurre la generazione di radicali liberi nel corpo, inibendo così la produzione di melanina.

1. Introduzione

I microrganismi sono organismi estremamente diversi, inclusi batteri, archaea, protisti, funghi e alghe. Negli ultimi decenni, ci sono stati grandi progressi nello sfruttamento dell'immensa diversità chimica disponibile dall'abbondante mondo microbico [1,2]. Dopo la scoperta del metabolita fungino penicillina nel 1928, che segnò l'inizio dell'età d'oro dei prodotti naturali e farmaceutici di origine microbica, seguirono i trattamenti per le infezioni fungine e parassitarie e per diversi tipi di cancro [3]. Negli anni Quaranta e all'inizio degli anni Cinquanta furono scoperti quasi tutti i gruppi di importanti antibiotici antibatterici (tetracicline, cefalosporine, aminoglicosidi, macrolidi), mentre negli anni Cinquanta e Sessanta furono isolati metaboliti antitumorali, antivirali e non-antibiotici-enzima-inibitori, principalmente da specie Streptomyces [4].

Tra i vari fattori ambientali che influenzano l'omeostasi cutanea, l'irradiazione ultravioletta (UV) è la componente più pericolosa, in quanto può attraversare l'epidermide e raggiungere il derma superiore. Ulteriori parametri che influenzano tutti gli strati della pelle e quindi contribuiscono all'invecchiamento cutaneo sono le abitudini alimentari (ad es. Dieta ricca di grassi) e di stile di vita (ad es. Fumo), vari inquinanti atmosferici, nonché fattori interni come il metabolismo, gli ormoni, i processi infiammatori, ecc. [7–9] (Figura 1). Gli agenti dannosi modulano numerosi eventi molecolari e percorsi di segnalazione che (tra gli altri) portano a disfunzione mitocondriale, aumento del genoma e danni al proteoma; aumento della sintesi e dell'attività delle metalloproteasi della matrice, diminuzione della produzione di collagene, attivazione della senescenza prematura indotta da stress (SIPS) e accumulo del fenotipo secretorio associato alla senescenza infiammatoria (SASP) [8-11]. Il mantenimento di un sistema di difesa intra o extracellulare altamente efficace in grado di proteggere dagli effetti avversi dell'irradiazione e di altri fattori di stress è fondamentale per salvaguardare l'omeostasi cutanea. Gli effetti avversi sono caratterizzati macroscopicamente dalla perdita del tono della pelle e dall'aumento delle rughe, dalla disidratazione (dovuta all'aumento dello spessore epidermico), dall'iperpigmentazione e dal colorito giallastro (pelle gialla o di colore pallido) (Figura 1).

Nonostante il gran numero di studi individuali e prove del potenziale utilizzo di microrganismi terrestri nel settore cosmetico in rapida crescita, finora nessuna revisione sistematica ha affrontato le loro applicazioni. Vale la pena ricordare che il mercato globale dei prodotti cosmetici e cosmeceutici è stato valutato a 532,4 miliardi di dollari nel 2017 e si prevede che raggiungerà un valore di mercato di 805,6 miliardi di dollari entro il 2023, registrando un CAGR (tasso di crescita annuale composto) del 7,14% durante 2018–2023 [12].

Nel presente studio, forniamo una panoramica dei diversi composti bioattivi con effetti di protezione della pelle (e quindi di interesse cosmetico e cosmeceutico) isolati, da un'ampia gamma di microrganismi terrestri tra cui batteri, alghe, funghi e protisti. Sono inclusi esempi di biomolecole con interesse per la protezione della pelle che sono prodotte in modo eterologo e/o biotrasformate. Il termine "terrestre" comprende microrganismi del suolo e dell'acqua dolce, endofiti vegetali e licheni. Sono esclusi microrganismi marini e funghi (tutti Basidiomycota e Ascomycota), in quanto recentemente rivisti [2,13]. Vengono discussi composti bioattivi rappresentativi di microrganismi terrestri con attività antiossidante, fotoprotettiva e sbiancante per la pelle, insieme ad agenti antimicrobici e idratanti, pigmenti, fragranze e aromi. Viene fornita una tabella dettagliata che comprende le molecole bioattive, gli organismi di origine, il loro habitat, l'attività biologica e la loro presenza nell'elenco delle sostanze e degli ingredienti cosmetici dell'Unione europea (inventario CosIng [14]).

2. Antiossidanti

Lo stress ossidativo è una delle cause prevalenti dell'invecchiamento cutaneo dovuto all'aumentata produzione e/o accumulo di Reactive Oxygen (ROS) e Nitrogen Species (RNS). Lo squilibrio tra la loro produzione ei meccanismi endogeni di difesa antiossidante può provocare stress ossidativo cellulare, causando rughe, secchezza, fotoinvecchiamento, pigmentazione ed elastosi della pelle. Inoltre, l'accumulo di radicali liberi può essere responsabile dell'infiammazione cutanea e del cancro della pelle [15].

Le specie reattive dell'ossigeno (ROS) si formano sia come sottoprodotto del normale metabolismo (p. es., fosforilazione ossidativa mitocondriale), sia da NAD(P)H ossidasi, o da fonti esogene come inquinanti atmosferici, luce UV, X- o gamma -raggi [16]; se la loro concentrazione supera la capacità antiossidante cellulare, i ROS causano stress ossidativo e danno a tutte le biomolecole cellulari [10].

I prodotti antiossidanti topici potrebbero agire come scavenger di specie reattive, inibendo l'inizio delle reazioni a catena, responsabili dello stress ossidativo cellulare [17]. Molti rapporti hanno dimostrato la capacità dei microrganismi marini di biosintetizzare composti antiossidanti [2]. Per quanto riguarda i microbi terrestri, i composti con una significativa inibizione delle reazioni di ossidazione, come polifenoli, carotenoidi o esopolisaccaridi, sono ampiamente discussi nelle sezioni seguenti.

Saggi biologici che coinvolgono la neutralizzazione di diversi radicali come il radicale stabile 2,2-difenil-1-picrylhydrazyl (DPPH), il radicale cationico 2,20 -azino-bis-3-etilbenzotiazolina{ L'acido {7}}solfonico (ABTS), così come i radicali idrossilici e di ossido nitrico sono ampiamente utilizzati per determinare il potenziale antiossidante in vitro. Anche se la relazione con l'efficacia antiossidante in vivo non è stata chiaramente descritta, l'attività antiossidante misurata può fornire una stima della quantità di composti che possono essere ossidati nelle condizioni dei saggi [18]

2.1. Composti fenolici

I composti fenolici sono ben noti per la loro forte attività antiossidante e radical scavenging, nonché per la loro interazione con diversi bersagli farmacologici. La forte correlazione tra il contenuto fenolico microbico e l'attività antiossidante è stata dimostrata da diversi autori utilizzando diversi microrganismi. Huan et al. hanno confermato questa correlazione positiva durante la loro indagine sugli endofiti fungini isolati dalle piante medicinali cinesi [19]. Il forte contributo all'attività antiossidante è stato confermato anche in Aspergillus austroafricanus, un fungo endofitico isolato dal rizoma di Zingiber offifficinale. L'analisi HPLC dell'estratto grezzo ha mostrato principalmente la presenza di acidi idrossicinnamici come acido ferulico (1), acido p-cumarico (2) e acido cinnamico (3) [20] (Figura 2). Queste molecole sono ben note nel regno vegetale e sono state ampiamente studiate per la loro capacità antiossidante (Tabella 1).

Conclusioni simili sono state tratte utilizzando colture della microalga Arthrospira platensis [21] e di altre Arthrospira sp. [22,23]. Gli acidi fenolici semplici e idrossicinnamici, come l'acido gallico, l'acido clorogenico, l'acido ferulico e l'acido della caffeina sono stati isolati da diverse specie di microalghe, ad esempio Chlorella vulgaris, Haematococcus pluvialis, Diacronema lutherie, Phaeodactylum tricornutum, Tetraselmis suecica, Ankistrodesmus sp., Spirogyra sp. ., Euglena cantabrica, Caespitella patchier e Porphyridium purpureum [24-26].

Studi su specie di cianobatteri terrestri dei generi Anabaena, Nostoc, Nodularia, Microcheate, Oscillatoria, Synechocystis, Hapalosiphon, Mastigocladus, Scytonema, Westiellopsis, Cylindrospermum, Aulosira, Chroococcus, Lyngbya, Calothrix, Dichothrix, Phormidiochaete, Limnothrix e Phormidium hanno anche riportato la correlazione della loro attività antiossidante con il loro contenuto fenolico totale. Gli acidi clorogenico e gallico sono stati identificati come i principali composti fenolici in diverse specie di cianobatteri, con Dichothrix sp. essendo uno dei produttori più efficienti di questi composti (rispettivamente 77,9 µg/g e 24,4 µg/g di peso fresco) [26].

Il resveratrolo (4), un altro ben noto composto naturale prodotto dalle piante, è stato recentemente segnalato da endofiti isolati da varietà di vite [27,28]. È considerato uno dei composti più famosi per le sue proprietà antietà uniche (Figura 2). È stato ampiamente riportato che è un forte inibitore della produzione di ROS e dell'ossidazione delle proteine ​​e un agente più efficace delle vitamine E e C contro la perossidazione lipidica [29]. I microrganismi sono stati presi in considerazione con successo per la produzione di resveratrolo poiché la loro sintesi e/o estrazione dalle piante è considerata inefficiente a causa dell'elevato fabbisogno di solventi organici, biomassa e bassa resa finale. Il resveratrolo è stato prodotto industrialmente per la prima volta nel 2009, utilizzando Saccharomyces cerevisiae. Da questo sviluppo, sono stati utilizzati diversi metodi come la bioconversione e l'ingegneria genetica per ottenere rese più elevate. Ad esempio, il resveratrolo è stato prodotto da Alternaria sp. (1,4 µg/L), e da S. cerevisiae geneticamente modificato (531,4 mg/L) ed E. coli (2370 mg/L) [30]. Le molecole discusse, così come ulteriori composti fenolici microbici che hanno attività antiossidanti o altre attività biologiche correlate, sono presentate nella Tabella 1.

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