дома нескучно
Как весело и с пользой пережить самоизоляцию

Новые взгляды на стероидную биотехнологию

9 November 2019
https://images.app.goo.gl/68G4YbpBPfjfKkrn6
https://images.app.goo.gl/68G4YbpBPfjfKkrn6

Стероиды представляют собой семейство терпеноидных липидов, широко распространенных в природе, которые представляют собой относительно жесткую общую структуру, называемую гонаном, образованную четырьмя конденсированными алициклическими кольцами. Состояние окисления стероидных ядер и наличие различных функциональных групп определяют биологические свойства каждой стероидной молекулы, т.е. ее биологическую функцию.

Стероидные соединения играют важную биологическую роль в различных организмах, включая стабилизацию клеточной мембраны и регуляцию соответствующих клеточных процессов, таких как пролиферация клеток и дифференцировка тканей.

Например, стерины, имеющие гидроксильную группу у С-3 и боковую цепь из восьми или более атомов углерода у С-17, действуют в качестве стабилизирующих агентов в клеточных мембранах животных (холестерин), растений (фитостеролы), дрожжей и грибов (эргостерин) и некоторые бактерии (например, ланостерол).

Стероидные соединения также являются релевантными источниками углерода и энергии для различных бактерий и участвуют в различных клеточных механизмах сигнализации.

Лекарства на основе стероидов находят широкое терапевтическое применение и представляют собой самую высокую категорию фармацевтических препаратов после антибиотиков с годовым объемом производства более миллиона тонн.

Биотехнология стероидов

Первые исследования по синтезу стероидов были проведены в начале двадцатого века и значительно увеличились в 1950-х годах благодаря открытию фармакологических свойств прогестерона и гидрокортизона.

Однако потенциал микробной биотрансформации стероидов известен уже несколько десятилетий, поскольку ее применение имеет ряд преимуществ перед химическим синтезом:

  1. регио- или стереоспецифическая функционализация молекул в положениях, не всегда доступных для химических агентов,
  2. множественные последовательные реакции, осуществляемые за один этап эксплуатации,
  3. более экологически чистые процессы (т.е. условия мягкой реакции, водные среды).

Одна из первых демонстраций этого потенциала была описана с производством кортизона. Традиционно кортизон синтезировали из дезоксихолевой кислоты в многостадийном химическом процессе (31 стадия), характеризующемся низким выходом по массе (0,16%) и высокими экономическими затратами. Включение биотрансформационного этапа с Rhizopus arrhizus и Aspergillus niger позволило значительно сократить количество необходимых химических стадий (11 стадий) и производственные затраты промышленного процесса.

Аналогичным образом, в последние десятилетия на смену другим химическим этапам пришли микробиологические биоконверсии в процессах синтеза стероидов, что привело к повышению конкурентоспособности и надежности промышленных процессов. Например, стероидный гормон тестостерон (ТС) химически синтезирован из промежуточного 4-андростина-3,17-диона (AD), который ранее получался из природных стеролов путем микробной биотрансформации.

Эти биологические процессы, традиционно классифицируемые в рамках «белой» или промышленной биотехнологии, были разработаны главным образом с помощью традиционных подходов, основанных на выделении микроорганизмов, которые продуцируют интересующую молекулу или которые биокатализируют определенный процесс, и их последующем улучшении посредством утомительных физических или химических процессов.

Тем не менее, в последние годы были разработаны новые биопроцессы, основанные на рекомбинантных подходах к технологии ДНК, которые открывают новые возможности для создания более надежных и универсальных заводов по производству микробных клеток для производства стероидов.

Независимо от вышеперечисленных подходов, биопроцессы синтеза стероидов можно разделить на три группы:

  • биопроцессы для производства стероидных промежуточных продуктов из природных стероидов,
  • биопроцессы для модификации и/или функционализации стероидных молекул,
  • новый биосинтез стероидов.

Современные достижения стероидной биотехнологии

Микробиологическое производство стероидных промежуточных продуктов из стеролового волокна

Природные сапогенины, такие как диосгенин, использовались в качестве основных предшественников в химии стероидов на протяжении десятилетий.

Например, ацетат 16-дегидропрегненолона, полученный из диосгенина, может быть превращен в ценные стероиды с помощью процессов химического синтеза. Диосгенин также может быть превращен в стероидные промежуточные соединения с терапевтической активностью путем микробной биотрансформации.

Тем не менее, использование сапогенинов в качестве сырья значительно сократилось, поскольку оно имеет несколько недостатков: высокие затраты, многократные стадии, низкие урожаи и истощение ресурсов диких растений.

Таким образом, сапогенины постепенно заменяются несколькими природными стеролами (например, фитостеролами, холестерином), которые также могут быть биотрансформированы в стероидные производные со свойствами, подобными определенным половым гормонам. Эти стероидные производные, которые на самом деле являются промежуточными или побочными продуктами катаболического пути стеролов, в настоящее время используются в качестве основных предшественников (синтонов) для химического синтеза препаратов на основе стероидов, таких как кортикостероиды, минералокортикоиды.

Несколько видов фитостеролов (например, соя, сосна, отходы бумажной промышленности) обычно используются в качестве промышленного сырья вместо холестерина (получаемого из животных жиров и масел), благодаря тщательному контролю качества, необходимому для использования любого типа основного предшественника животных.

Микробная функционализация стероидных молекул

Химическая модификация стероидных молекул привлекает значительное внимание в последние десятилетия. Реакции окисления, гидроксилирования и окислительно-восстановительного (окислительно-восстановительного) реакций Байера-Виллигера являются одними из наиболее важных модификаций (функционализаций), выполняемых на стероидных соединениях с помощью процессов химического синтеза.

Эти и другие функционализации стероидов могут альтернативно быть выполнены с помощью биокаталитических процедур. Например, окислительно-восстановительные реакции, такие как окисление спиртов, восстановление карбонильных групп, дегидрирование связей C-C или гидрирование двойных связей C-C, могут быть катализированы специфическими ферментами.

Для выполнения этих химических функций на стероидных молекулах в промышленном масштабе часто используются несколько микроорганизмов «дикого» типа, которые обладают интересующей стероид-модифицирующей ферментативной активностью.

Поскольку эти биоконверсии часто демонстрируют различные недостатки, такие как низкая селективность и выход конверсии субстрата, и могут даже требовать культивирования условно-патогенных микроорганизмов (например, Rhizopus oryzae), в последние годы было предложено разработать альтернативные подходы с использованием технологий рекомбинантных ДНК.

Однако, ни один из биопроцессов, разработанных с использованием технологий рекомбинантной ДНК, не был промышленно внедрен из-за низких показателей конверсии субстрата, которые, как представляется, являются следствием неэффективной транспортировки стероидов.

По этой причине рациональное генетическое улучшение микроорганизмов, способных эффективно транспортировать и модифицировать стероиды, может оказаться сложным подходом.