Мелатонін з мікроорганізмів, водоростей і рослин як можлива альтернатива синтетичному мелатоніну. Частина 1
Jun 01, 2023
Анотація: Дієтичні добавки з мелатоніном широко споживаються в усьому світі, причому найбільшими споживачами є розвинені країни, з орієнтовним щорічним темпом зростання приблизно на 10 відсотків до 2027 року, головним чином у країнах, що розвиваються. Широке використання мелатоніну проти розладів сну та окремих проблем, таких як часовий пояс, було додано до інших застосувань, таких як антистаріння, антистрес, активація імунної системи, проти раку та інші, які загалом спричинили його використання. без рецепта. Зараз хімічна промисловість покриває 100 відсотків потреб ринку мелатоніну. Можливість отримання мелатоніну з рослин, який називається фітомелатонін, виникла кілька років тому, мотивована секторами з більш природними звичками споживання. Нещодавно фармацевтична промисловість розробила генетично модифіковані мікроорганізми, здатність яких виробляти природний мелатонін у біореакторах була покращена. У цій статті розглядаються аспекти хімічного та біологічного синтезу мелатоніну для споживання людиною, головним чином як харчової добавки. Проаналізовано плюси і мінуси отримання мелатоніну з мікроорганізмів і фітомелатоніну з рослин і водоростей, а також переваги природного мелатоніну, що дозволяє уникнути небажаних хімічних побічних продуктів хімічного синтезу мелатоніну. Нарешті, аналізуються економічні та якісні аспекти цих нових продуктів, деякі з яких уже продаються.
Глікозид цистанхи може також підвищувати активність СОД у тканинах серця та печінки та значно знижувати вміст ліпофусцину та МДА в кожній тканині, ефективно поглинаючи різні реактивні кисневі радикали (OH-, H₂O₂ тощо) та захищаючи від пошкодження ДНК, спричиненого ОН-радикалами. Фенілетаноїдні глікозиди Cistanche мають сильну здатність поглинати вільні радикали, вищу відновну здатність, ніж вітамін С, покращують активність СОД у суспензії сперми, знижують вміст МДА та мають певний захисний ефект на функцію мембрани сперми. Полісахариди цистанхе можуть підвищувати активність SOD і GSH-Px в еритроцитах і легеневих тканинах експериментально старіючих мишей, викликаних D-галактозою, а також знижувати вміст MDA і колагену в легенях і плазмі і підвищувати вміст еластину, мають хороша очищувальна дія на DPPH, подовжує час гіпоксії у старіючих мишей, покращує активність СОД у сироватці та затримує фізіологічну дегенерацію легенів у експериментально старіючих мишей. Експерименти показали, що цистанша має хорошу антиоксидантну здатність до клітинної морфологічної дегенерації. і має потенціал бути лікарським засобом для запобігання та лікування хвороб старіння шкіри. У той же час ехінакозид у Cistanche має значну здатність поглинати вільні радикали DPPH і може поглинати активні форми кисню, запобігати індукованій вільними радикалами деградації колагену, а також має хороший ефект відновлення при пошкодженні аніонів вільних радикалів тиміну.
Натисніть Cistanche Side Effects Reddit
【Для отримання додаткової інформації: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】
Ключові слова: дієтичні добавки; ГМО; мелатонін; мікроорганізми; фітомелатонін; рослинна сировина
1. Введення
Melatonin (N-acetyl-5-methoxytryptamine) is widely used around the world as a dietary supplement. In general, melatonin is used as a sleep aid supplement, a mild tranquilizer, a generalist antioxidant, and an anticancer and anti-aging component, among others [1]. According to the American Psychiatric Association (APA), approximately one-third of adults suffer from insomnia during their lifetime [2]. It manifests itself in ongoing problems falling asleep and staying asleep. Therefore, it is very likely that the use of synthetic melatonin will spread. In 2019, the global production of synthetic melatonin, which was around 4000 tons, accounted for around 1.3 billion USD. This vast market is fully assisted by the chemical melatonin, whose synthesis process is very cheap, effective, and, therefore, lucrative. The melatonin market is expected to grow at a CAGR (compound annual growth rate) of >10 відсотків протягом наступних 5 років. З таким значним зростанням попиту проблеми безсоння, спричинені пандемією COVID-19, були дуже актуальними [3]. Північна Америка має найбільше споживання, за нею йде Європа. Глобальний ринок мелатоніну в основному контролюється кількома великими компаніями, такими як BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma та Biotics Research Co. Зауважте, що споживання мелатоніну в медичних цілях передбачає приблизно 50 відсотків виробленого синтетичного мелатоніну; решта має хімічне та промислове застосування [2,4].
Біологічно мелатонін є молекулою, широко поширеною в усіх царствах живих організмів [5]. Виявлений у 1958 році в шишкоподібній залозі корови [6], а потім у людини [7], це одна з найбільш вивчених біомолекул, і відомі його численні функції, головним чином у ссавців [8,9], а також у риб. [10–12], домашньої птиці [13,14] та безхребетних [15]. У клітинах тварин і людини мелатонін діє як антиоксидант — важлива роль йому приписувалась у 1993 році [16–18]. Мелатонін діє як цікавий захисник клітин у стресових ситуаціях, у різних фізіологічних аспектах у людей, і, згідно з численними дослідженнями, сприяє поліпшенню при різних захворюваннях і дисфункціях. На малюнку 1 показано деякі захисні та регуляторні дії мелатоніну в організмі людини та представлено мелатонін як цікаву плейотропну молекулу, що виділяється своєю актуальністю, роллю мелатоніну в регуляції метаболізму ліпідів і глюкози, викликанні нічної резистентності до інсуліну та денного інсуліну. чутливість. Цей ефект, здається, пов’язаний з нічним голодуванням і денним годуванням, що запобігає надмірному збільшенню ваги [19]. Ми також підкреслюємо його роль як антионкогенного агента, що пригнічує ріст, проліферацію та метастазування кількох пухлин. Лікування пухлин мелатоніном покращило чутливість до хіміо- та променевої терапії, діючи як синергетична молекула в контролі ракових клітин. Крім того, мелатонін пом’якшує гостре пошкодження нормальних клітин, захищаючи їх від токсичності ліків, можливо, посилюючи імунні відповіді [20–22]. Серед дисфункцій і захворювань, при яких вивчався благотворний вплив мелатоніну, є неврологічні, такі як хвороба Альцгеймера, Паркінсона, фіброміалгія, депресія, синдром дефіциту уваги і гіперактивності, аутизм і мігрень; проблеми зі здоров'ям серцево-судинної системи, включаючи гіперхолестеринемію, гіпертензію, метаболічний синдром і глікемічний дисбаланс; проблеми зі здоров'ям шлунково-кишкового тракту, такі як гастроезофагеальний рефлюкс, виразки та синдром подразненого кишечника; імунологічні проблеми зі здоров’ям, такі як розсіяний склероз, аутоімунні реакції (спортивний стрес, токсичний стрес, псоріаз тощо), сепсис, COVID-19 тощо [3,23–26]; а також остеопенія [27], саркопенія [28], прееклампсія, фертильність, синдром полікістозних яєчників і менопауза, серед інших [29–32]. Однак, незважаючи на те, що мелатонін є молекулою, яка широко вивчається з 1950-х років, проведені дослідження вимагають більшої кількості клінічних і обширних подвійних сліпих випробувань, щоб прояснити його інколи незрозумілу плейотропну дію [33,34].
Однак мелатонін добре відомий як гормон, який регулює сон. Його коливальні рівні в кровотоці відповідно до періодів світла і темряви (циркадні ритми) через вивільнення мелатоніну шишкоподібною залозою є одним із найбільш вивчених і відомих аспектів цієї молекули. Підвищення рівня мелатоніну в крові протягом першого періоду сну приблизно до 150–220 полюсів/мл впливає на початок сну, зменшує затримку та фрагментацію сну та збільшує тривалість і якість сну [1,35,36]. Мелатонін діє як внутрішній синхронізатор циркадного циклу сну та неспання та сезонної ритмічності. У цьому сенсі багато розладів сну лікували мелатоніном, включаючи синдром затримки фази сну, розлади сну в нічні зміни, сезонні афективні розлади, розлади сну у сліпих і людей похилого віку, а також патофізіологічні розлади у дітей, з помітним поліпшенням якості сну [ 37–41]. Найпоширенішим розладом, який лікують мелатоніном, є відставання від часових поясів — дефазування ритмів сну та неспання після трансокеанських перельотів [42–45]. Можливо, акцент у дослідженнях на його ролі як регулятора сну спричинив відсутність досліджень щодо його можливої ролі в багатьох інших фізіологічних і клінічних аспектах.
Мелатонін у рослинах, так званий фітомелатонін, був відкритий одночасно трьома дослідницькими групами в різних рослинних матеріалах у 1995 році [46–48]. Термін фітомелатонін, який відноситься до мелатоніну рослинного походження (рослини та водорості), використовується, щоб відрізнити його від тваринного та/або синтетичного мелатоніну. Цей термін дуже поширений і постійно використовується в дослідженнях рослинної мелатоніну з фітохімії, фізіології рослин, ботаніки, харчової хімії тощо. У рослинах фітомелатонін також є плейотропною молекулою, яка відіграє багато ролей у різноманітних фізіологічних реакціях (рис. 1). Регулювання за допомогою мелатоніну таких аспектів, як фотосинтез, включаючи поглинання СО2 устьицями та економію води, метаболізм вуглеводів, ліпідів, азоту та сірки, а також метаболізм простих фенолів, флавоноїдів та терпеноїдів, продемонструвало вирішальний інтерес до базових та технічних процесів вегетації. (проростання, ріст рослин, укорінення, розгалуження тощо) і репродуктивний розвиток, включаючи фертильність, партенокарпію, розвиток насіння та плодів, дозрівання, старіння, а також збереження плодів і зрізаних квітів [49–53]. Загалом, мелатонін регулює ці процеси через дію мережі рослинних гормонів, посилюючи/понижуючи деякі біосинтезні, катаболічні та транскрипційні фактори, пов’язані з рослинними гормонами [54–56]. Одним із аспектів найбільшого агрономічного та біотехнологічного інтересу є роль фітомелатоніну як стимулятора стійкості до біотичних та абіотичних стресів [57–68] (рис. 1). В даний час фітомелатонін представлений як цікавий екологічно чистий засіб для контролю біологічних захворювань і сприяння резистентності/адаптації рослин до/проти зміни клімату.
2. Біосинтез мелатоніну
Мелатонін - це ацетильована сполука, що походить від серотоніну. Обидва індольні аміни синтезуються з амінокислоти триптофану шляхом біосинтезу, який був широко вивчений як на тваринах, так і на рослинах [69,70]. У рослинах триптофан перетворюється на триптамін за допомогою ферменту триптофандекарбоксилази (TDC) (рис. 2). Потім триптамін перетворюється на 5-гідрокситриптамін (серотонін) за допомогою триптамінг 5-гідроксилази (T5H), ферменту, який ретельно вивчався в рисі та який може діяти з багатьма субстратами, хоча це не було вивчено в глибину. Серотонін N-ацетильується серотонін-N-ацетилтрансферазою (SNAT). Потім N-ацетилсеротонін метилюється ацетилсеротонін-метилтрансферазою (ASMT) — гідроксиіндол-O-метилтрансферазою, — яка генерує мелатонін. У рослинах метилювання N-ацетилсеротоніну також може здійснюватися O-метилтрансферазою кавової кислоти (COMT), класом ферментів, які можуть діяти на різноманітні субстрати, включаючи кавову кислоту та кверцетин [71]. Серотонін також може перетворюватися на 5-метокситриптамін за допомогою ASMT/COMT для генерації мелатоніну після дії SNAT. Цей шлях відбуватиметься під час старіння та/або стресових ситуацій [70,72]. Крім того, мелатонін може утворюватися шляхом утворення N-ацетилтриптаміну за допомогою SNAT, який буде перетворюватися на N-ацетилсеротонін за допомогою T5H [73], хоча цей шлях не був продемонстрований, можливо, через те, що T5H є найменш вивченим ферментом цього шляху. (Малюнок 2). Цікаво, що в рослинах рису виявлено до чотирьох генів, що кодують гістондеацетилази (DAC), які можуть повертати кроки від серотоніну до N-ацетилсеротоніну та від 5-метокситриптаміну до мелатоніну. DAC, експресований у хлоропласті, виявляв ферментну активність щодо N-ацетилсеротоніну, N-ацетилтриптаміну та мелатоніну, з найвищою деацетилазною активністю для N-ацетилтираміну [74].
У клітинах тварин серотонін утворюється з 5-гідрокситриптофану після послідовної дії триптофангідроксилази (TPH) і TDC. Хоча TPH не було виявлено в рослинах, наявність 5-гідрокситриптофану свідчить про те, що деяка ферментативна активність, наприклад TPH, діє в меншій мірі в рослинних клітинах. Крім того, мелатонін може утворюватися шляхом утворення 5-метокситриптаміну, головним чином в умовах стресу, як запропоновано декількома авторами, припускаючи, що шлях біосинтезу мелатоніну може йти різними альтернативними шляхами порівняно з тваринними клітинами, з більшою здатністю до адаптації до метаболічних змін у рослинах [72,75]. Усі названі ферменти були виявлені та охарактеризовані в рисі та Arabidopsis, за винятком TPH, який добре відомий у тварин, але не в рослин. Тим не менш, деякі автори припустили, що T5H може діяти як гідроксилаза з низькою субстратною специфічністю та здатна діяти на всіх описаних стадіях гідроксилювання [70,76–79]. Цю ж широку субстратну специфічність можна також віднести до ферментів SNAT, ASMT і COMT. Проміжні продукти мелатоніну виробляються в різних субклітинних компартментах, таких як цитоплазма, ендоплазматичний ретикулум, мітохондрії та хлоропласти, які визначають подальші ферментативні етапи [80,81].
Шлях біосинтезу мелатоніну в мікроорганізмах мало досліджень [82]. Сахароміцети та бактерії (Geobacillus, Bacillus та Pseudomonas) виробляли як серотонін, так і мелатонін у різних концентраціях [83–89]. Крім того, виробництво мелатоніну було доведено іншими авторами в культурах дріжджів Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae і S. uvarum і бактерій (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus і Oenococcus) [85,90,91] і раніше у фотосинтезуючих бактеріях Rhodospirillum rubrum [92] і Erythrobacter longus [93] і Escherichia coli [94].
У дріжджів Saccharomyces cerevisiae, на відміну від рослин і тварин, здається, що біосинтез 5-гідрокситриптофану з триптофану не відбувається. Цікаво, що деякі з описаних стадій виявляються оборотними у S. cerevisiae, наприклад між 5-гідрокситриптофаном і серотоніном, N-ацетилсеротоніном і мелатоніном і 5-метокситриптаміном і мелатоніном [90,95], як показано на малюнку 2. У Bacillus amyloliquefaciens SB-9 і Pseudomonas fluorescens RG11, 5- гідрокситриптофан, серотонін і N-ацетилсеротонін, але не було виявлено триптаміну [85,86]. Так, кілька генів бактеріального походження були використані для створення штаму Escherichia coli, що продукує мелатонін. Наприклад, було досліджено ген DDC, що кодує декарбоксилазу ароматичних L-амінокислот Candidatus Koribacter versatile Ellin 345 і Draconibacterium orientale, і ген AANAT, що кодує алкіламін-N-ацетилтрансферазу Streptomyces griseofuscus [96,97]. Безсумнівно, необхідні подальші дослідження для з’ясування повних шляхів біосинтезу мелатоніну в різних прокаріотичних і еукаріотичних мікроорганізмах [82].
3. Біологічний мелатонін проти синтетичного мелатоніну
Спочатку мелатонін отримували для експериментальних і клінічних досліджень з тваринних джерел (переважно з шишкоподібної залози та сечі), з відповідним ризиком передачі вірусу [98,99]. Ці методи були вилучені, коли мелатонін можна було отримати шляхом хімічного синтезу [100]. В даний час весь мелатонін, який використовується в промислових і медичних цілях, отримують за допомогою методів хімічного синтезу. Ці методи, які створювали серйозні проблеми в 1980-х роках, включаючи смертельні випадки через наявність побічних продуктів синтезу з триптофану [101], сьогодні набагато безпечніші та ефективніші. Однак препарати мелатоніну описують наявність цілого набору небажаних побічних продуктів через їх токсичну природу. На малюнку 3 показано три найбільш часто використовувані шляхи хімічного синтезу мелатоніну та побічних продуктів, які утворюються в його синтезі [102]. Синтез мелатоніну з похідних триптофану (рис. 3, схема A) генерує токсичні побічні продукти, які іноді викликають серйозні захворювання, такі як синдром еозинофілії-міалгії [101, 103, 104], тоді як найсучасніші методи (рис. 3, схема B) для Синтез мелатоніну з фталіміду [105] викликає серйозні сумніви щодо токсичності деяких побічних продуктів, які утворюються [106]. Крім того, індольні реакції Фішера з аліламіну (рис. 3, схема C) представляють небезпечні та токсичні реагенти [107].
З іншого боку, отримання мелатоніну з нетваринних біологічних джерел представлено як сильна відданість майбутньому, не для заміни синтетичного мелатоніну, а для того, щоб бути більш природним додатковим та альтернативним джерелом [108].
4. Стратегії отримання біологічного мелатоніну
Мелатонін присутній у всіх відомих біологічних видах, від прокаріотів до еукаріотів, включаючи дріжджі, водорості, гриби та рослини, а також тварин [80, 109–111]. Нижче представлені методики, розроблені для мікроорганізмів і рослин як можливих джерел природного мелатоніну.
4.1. Мелатонін з мікроорганізмів
a. сахароміцети
Перший підхід до виробництва біологічного мелатоніну нещодавно здійснила група датської фармацевтичної компанії Novo Nordisk з використанням генетично модифікованих Saccharomyces cerevisiae (таблиця 1, продукт №1). Германн і його співробітники сконструювали рекомбінантний шлях мелатоніну в штамі дріжджів, який містив гетерологічні гени, що кодують декілька ферментів біосинтезу мелатоніну та шляхи підтримки кофакторів [112]. Трансгенні дріжджі кодифікували різні гени Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus і Salmonella enterica. Згодовуючи дріжджам лише глюкозу та ацетил-Ко-А, виробництво мелатоніну досягло 14,5 мг·л −1 через 76 годин. Тим не менш, на думку інших авторів, деякі проблеми, такі як високе накопичення N-ацетилсеротоніну в дріжджових клітинах, незбалансована експресія генів та ідентифікація деяких потенційних токсичних проміжних продуктів, повинні бути вирішені [113].
b. Кишкова паличка
У другому підході, цього разу з використанням трансгенно-модифікованої культури Escherichia coli (таблиця 1, продукт №2), Novo Nordisk повідомила про біологічне виробництво мелатоніну з гетерологічного штаму, сконструйованого з рекомбінантної кишкової палички, включаючи декілька генів, таких як ген TDC від Candidatus Koribacter versatile, ген SNAT від Streptomyces griseofuscus і ген ASMT людини. Крім того, деякі гени, пов’язані з триптофаном, були заблоковані або видалені, щоб запобігти небажаній репресії, деградації та експортному транспорту [96,97]. Після кількох покращень штаму та годування мінеральними солями, вітамінами та антибіотиками культивовані клітини виробляли мелатонін у кількості ~1 г·л −1, використовуючи глюкозу як єдине джерело вуглецю, і до 2 г·л −1 у клітинах, які харчувалися триптофаном, з незначним вмістом побічних продуктів. Таким чином, на думку авторів, ці ГМО штами кишкової палички можуть бути основою для майбутнього біологічно комерційного виробництва мелатоніну за допомогою фабрик мікробних клітин. Тим не менш, використання трансгенних організмів для виробництва речовин для споживання людиною може бути проблематичним, якщо мета полягає в тому, щоб надати натуральний продукт чутливому споживачеві або споживачеві, який виступає проти ГМО.
в. Молочнокислі бактерії
Мелатонін також вироблявся промисловим способом шляхом мікробної ферментації, як повідомляється в [114]. Біосинтезом мелатоніну керували багатоштамові молочнокислі бактерії, такі як Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei subspecies. sake, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterococcus sp. (E. faecalis TH10); і Streptococcus thermophilus. Продукти, виготовлені за цією технологією, продаються Quantum Nutrition Labs (Техас, США) як Melatonin Drops, Qultured™, що містять 8 мг дріжджового мелатоніну (Таблиця 1, продукт №3).
d. хлорела
Продукт, виготовлений із водоростей, — Herbatonin® (таблиця 1, продукт №4), виготовлений у вигляді таблеток, що містять 0.3 або 3 мг фітомелатоніну, хоча в Європі він продається в дозах 0.3 і 1,9 мг, відповідно до законів ЄС. Цей препарат містить кілька видів рослин, таких як рис (Oryza sativa L.) і люцерна (Medicago sativa L.), а також зелену водорість Chlorella pyrenoidosa і C. vulgaris. Наші дані показують, що ці мікроводорості містили не більше 2-15 нг·г DW-1 [115], а види рослин-супутників містять дуже низькі рівні фітомелатоніну, 1-5 нг·г-1 у рисі та 16 нг·г −1 у люцерни [116]. Наявність Chlorella свідчить про те, що фітомелатонін в основному отримують шляхом культивування зелених водоростей у біореакторах, можливо, з додаванням прекурсорів, таких як триптофан, подібним до способу Achillea millefolium [117], хоча опублікованих даних щодо методу немає. отримання цих багатих фітомелатоніном екстрактів, лише їх біохімічна характеристика [118]. Також немає даних про контроль наявності ціанотоксинів у цих екстрактах через можливі забруднення ціанобактеріями (синьо-зеленими водоростями). Ці ціанотоксини мають ряд небажаних ефектів, пов’язаних, зокрема, з канцерогенністю, гепатотоксичністю та нейротоксичністю. Таким чином, виявлення ціанотоксинів у деяких водоростевих дієтичних добавках підсилює потребу в кращому контролі якості [119,120].
【Для отримання додаткової інформації: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】