Используя природные способы добавления сульфатных групп с помощью ферментов, ученые из Центра биоустойчивости Фонда Ново Нордиск при Техническом университете Дании (DTU) впервые продемонстрировали, как производить широкий спектр сульфатированных фенольных соединений в микробы-хозяева - клеточные фабрики. Это новаторское исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, позволяет производить крупномасштабное производство сульфатированных фенольных соединений путем ферментации.
Перспективы далеко идущие, поскольку сульфатирование можно использовать для широкого спектра продуктов, таких как средства против обрастания и фармацевтические препараты. Эта работа может означать более дешевые и качественные лекарства в будущем, а также биохимические вещества и полимеры с новыми свойствами», - говорит автор-корреспондент профессор Алекс Тофтгаард Нильсен из Центра биоустойчивости фонда Ново Нордиск. Он также является директором по безопасности в Cysbio - компании, которая работает над коммерциализацией продуктов, среди прочего, из сульфатированных молекул.
Фенольные соединения представляют собой ароматические молекулы, которые используются в таких областях, как медицина, нутрицевтики и другие антиоксиданты, косметическая промышленность, а также в полимерной промышленности. Добавление остатков сульфатов к фенольным соединениям может повысить кислотность и растворимость молекулы, а также снизить токсичность.
В качестве доказательства концепции процесса сульфатирования на фабриках по производству клеток исследователи хотели получить зостериновую кислоту. Эта кислота содержится в морской траве и является мощным средством против обрастания. Используемый в корабельной краске, он потенциально может препятствовать росту водорослей на корпусе. Кроме того, он применяется в дезинфицирующих средствах, где он может предотвратить прикрепление бактерий к поверхностям (биопленкам), например. в больницах.
Сегодня зостеровую кислоту можно извлечь из растительного сырья, но титры низкие, а стоимость высокая. Зостериновую кислоту также можно синтезировать химическим путем, но это требует жестких химических условий и приводит к образованию большого количества химических отходов. Таким образом, биологический процесс предпочтительнее.
Исследователям пришлось реконструировать и перепрограммировать несколько генов в клеточной фабрике, чтобы оптимизировать процесс сульфатирования. Это было достигнуто как за счет улучшения поглощения сульфата, так и за счет оптимизации доступности фермента донора сульфата в клетке.
Результатом стало производство до пяти граммов зостеровой кислоты на литр при так называемой периодической ферментации с подпиткой. Этот выход впечатляет, поскольку природа обычно производит зостеровую кислоту в очень малых количествах, а химический синтез чрезвычайно сложен и дорог.
Биологически зостериновая кислота создается ферментом (сульфотрансферазой), который переносит боковую группу сульфата на конкретную молекулу строительного блока. Поэтому исследователи выделили сульфотрансферазы от людей, плодовых мушек, взморника, крыс, кур, кроликов, собак, червей, рыбок данио и свиней, чтобы найти наиболее эффективную. Фермент-победитель был фактически выделен из печени крысы и превосходно работал в хозяине-производителе микробов.
Используя этот метод, исследователи также обнаружили сульфотрансферазы, которые могут сульфатировать мощный антиоксидант ресвератрол, содержащийся в красном вине. Сегодня, из-за очень низкого содержания ресвератрола в винограде, утомительных процессов очистки и необходимости использования при этом агрессивных химикатов, извлечение ресвератрола из растений является трудным, трудоемким и неустойчивым..
В винограде ресвератрол содержится в неактивной несульфатированной форме. Попадая в организм человека, ресвератрол сульфатируется печенью, чтобы стать активным, что придает молекуле антиоксидантные свойства. Таким образом, возможность производить большое количество сульфатированного ресвератрола на клеточных фабриках открывает возможности для производства более активного и биодоступного антиоксиданта, процесс, который также можно использовать для изменения свойств фармацевтических препаратов.
Кроме того, исследователи показали, что некоторые из сульфотрансфераз также способны сульфатировать ванилиновую кислоту. Это тоже продукт, который можно производить на фабрике по производству микробных клеток и который имеет рыночный потенциал.
"С научной точки зрения возможность производить сульфатированные фенольные соединения на микробных клеточных фабриках - это фантастика, но она также может иметь социальные последствия, поскольку эти молекулы применяются как в качестве биохимических веществ, так и в качестве нутрицевтиков и даже в качестве лекарств. ", говорит первый автор исследования, Кристиан Билле Джендресен, директор по исследованиям и разработкам Sulfation Technologies в начинающей компании Cysbio, которая выделилась из Центра биоустойчивости Novo Nordisk Foundation, DTU.
«Мы можем создать широкий спектр интересных химикатов, которые найдут разные способы выхода на рынок», - говорит он.
Таким образом, эта новаторская работа позволила создать новый класс сульфатированных биохимических веществ, которые, вероятно, найдут множество биотехнологических применений.