Ålegræssyre og resveratrol produceret af cellefabrikker for første gang

Udnyttelse af naturens måder at tilføje sulfatgrupper ved hjælp af enzymer, forskere ved Novo Nordisk Fondens Center for Biobæredygtighed ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU) har for første gang demonstreret, hvordan man kan producere en lang række sulfaterede phenolforbindelser i mikrobielle værter - cellefabrikker. Denne banebrydende forskning, udgivet i Naturkommunikation , muliggør produktion i stor skala af sulfaterede phenolforbindelser ved fermentering.

"Perspektiverne er vidtrækkende, da sulfatering kan bruges til en lang række produkter såsom antifouling-midler og lægemidler. Dette arbejde kan betyde billigere og bedre lægemidler i fremtiden samt biokemikalier og polymerer med nye egenskaber, og det kan være en fordel, at sulfatering kan bruges til en lang række produkter, f.eks. " siger korresponderende forfatter professor Alex Toftgaard Nielsen fra The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Han er også CSO hos Cysbio — en virksomhed, der arbejder på at kommercialisere produkter fra, blandt andet, sulfaterede molekyler.

Fenolforbindelser er aromatiske molekyler med anvendelser inden for områder som medicin, næringsmidler og andre antioxidanter, og i kosmetik- og polymerindustrien. Tilføjelse af sulfatrester til phenolforbindelser kan øge surheden og opløseligheden af ​​et molekyle samt mindske dets toksicitet.

Som et bevis på konceptet for sulfateringsprocessen i cellefabrikker, forskerne ville producere zosterinsyre. Denne syre findes i den marine plante ålegræs og er et kraftigt antifoulingmiddel. Anvendes i skibsmaling, det kan potentielt hæmme væksten af ​​alger på skroget. Desuden, det har anvendelse i desinfektionsmidler, hvor det kan forhindre vedhæftning af bakterier på overflader (biofilm) f.eks. på hospitaler.

I dag, zosterinsyre kan udvindes fra plantemateriale, men titerne er lave, og omkostningerne er høje. Zosterinsyre kan også syntetiseres kemisk, men dette kræver barske kemiske forhold og genererer en masse kemisk affald. Dermed, en biologisk proces er at foretrække.

Forskerne var nødt til at omkonstruere og omkoble flere gener i cellefabrikken for at optimere sulfateringsprocessen. Dette blev både gjort ved at forbedre sulfatoptagelsen og ved at optimere tilgængeligheden af ​​sulfatdonorenzymet i cellen.

Resultatet blev produktion af op til fem gram per liter zosterinsyre i en såkaldt fed-batch fermentering. Dette udbytte er imponerende, da naturen normalt kun producerer zosterinsyre i meget små mængder, og fordi kemisk syntese er ekstremt vanskelig og dyr.

Biologisk set, zosterinsyre dannes af et enzym (sulfotransferase), der overfører en sulfatsidegruppe til et specifikt byggestensmolekyle. Derfor, forskerne isolerede sulfotransferaser fra mennesker, banan fluer, ålegræs, rotter, høns, kaniner, hunde, orme, zebrafisk og grise for at finde den mest effektive. Det vindende enzym blev faktisk isoleret fra rottelever og virkede fremragende i den mikrobielle produktionsvært.

Ved at bruge denne metode, forskerne fandt også sulfotransferaser, der kunne sulfatere den kraftige antioxidant resveratrol, der findes i rødvin. I dag, på grund af dets meget lave indhold i druer, kedelige oprensningsprocesser og behovet for skrappe kemikalier, resveratrol udvinding fra planter er vanskelig, tidskrævende og uholdbar.

I druer, resveratrol findes i en inaktiv ikke-sulfateret form. Ind i menneskekroppen, resveratrol sulfateres af leveren for at blive aktiv, som giver molekylet dets antioxidantegenskaber. Dermed, at være i stand til at producere store mængder sulfateret resveratrol i cellefabrikker åbner for produktion af en mere aktiv og biotilgængelig antioxidant, en proces, der også kan bruges til at modificere egenskaberne af lægemidler.

Desuden, forskerne viste, at nogle af sulfotransferaserne også var i stand til at sulfatere vanillinsyre. Det her, også, er et produkt, der kan fremstilles på en mikrobiel cellefabrik og har markedspotentiale.

"Fra et videnskabeligt perspektiv, at være i stand til at producere sulfaterede phenolforbindelser i mikrobielle cellefabrikker er fantastisk, men det kan også have samfundsmæssige konsekvenser, da disse molekyler har anvendelser både som biokemikalier, som ernæringsmidler og endda som lægemidler, " siger første forfatter til undersøgelsen, Christian Bille Jendresen, R&D-direktør for Sulfation Technologies hos start-up-virksomheden Cysbio, som er udspringet af Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU.

"Vi kan skabe en bred vifte af interessante kemikalier, der vil finde forskellige veje ind på markedet, " han siger.

Dette banebrydende arbejde har således muliggjort produktionen af ​​en ny klasse af sulfaterede biokemikalier, som sandsynligvis vil finde mange bioteknologiske anvendelser.