Melatonine uit micro-organismen, algen en planten als mogelijke alternatieven voor synthetische melatonine Deel 1

Abstract: Melatonine-voedingssupplementen worden wereldwijd veel geconsumeerd, met ontwikkelde landen als de grootste consumenten, met een geschat jaarlijks groeipercentage van ongeveer 10 procent tot 2027, voornamelijk in ontwikkelingslanden. Het brede gebruik van melatonine tegen slaapstoornissen en bepaalde problemen, zoals jetlag, is toegevoegd aan andere toepassingen, zoals anti-veroudering, anti-stress, activering van het immuunsysteem, kankerbestrijding en andere, die het gebruik ervan in het algemeen hebben geactiveerd zonder recept. De chemische industrie dekt momenteel 100 procent van de behoeften van de melatoninemarkt. Gemotiveerd door sectoren met een meer natuurlijk consumptiepatroon ontstond enkele jaren geleden de mogelijkheid om melatonine uit planten te halen, fytomelatonine genaamd. Meer recentelijk heeft de farmaceutische industrie genetisch gemodificeerde micro-organismen ontwikkeld waarvan het vermogen om natuurlijke melatonine in bioreactoren te produceren, is verbeterd. Dit artikel bespreekt de aspecten van de chemische en biologische synthese van melatonine voor menselijke consumptie, voornamelijk als voedingssupplement. De voor- en nadelen van het verkrijgen van melatonine uit micro-organismen en fytomelatonine uit planten en algen worden geanalyseerd, evenals de voordelen van natuurlijke melatonine, waarbij ongewenste chemische bijproducten van de chemische synthese van melatonine worden vermeden. Ten slotte worden de economische en kwaliteitsaspecten van deze nieuwe producten, waarvan sommige al op de markt zijn gebracht, geanalyseerd.

Glycoside van cistanche kan ook de activiteit van SOD in hart- en leverweefsels verhogen en het gehalte aan lipofuscine en MDA in elk weefsel aanzienlijk verminderen, waardoor verschillende reactieve zuurstofradicalen (OH-, H₂O₂, enz.) door OH-radicalen. Cistanche-fenylethanoïdeglycosiden hebben een sterk wegvangend vermogen van vrije radicalen, een hoger reducerend vermogen dan vitamine C, verbeteren de activiteit van SOD in spermasuspensie, verminderen het gehalte aan MDA en hebben een zeker beschermend effect op de functie van het spermamembraan. Cistanche-polysacchariden kunnen de activiteit van SOD en GSH-Px in erytrocyten en longweefsels van experimenteel senescente muizen veroorzaakt door D-galactose verbeteren, evenals het gehalte aan MDA en collageen in long en plasma verminderen en het gehalte aan elastine verhogen, hebben een goed wegvangend effect op DPPH, verlengt de tijd van hypoxie bij senescente muizen, verbetert de activiteit van SOD in serum en vertraagt ​​de fysiologische degeneratie van de longen bij experimenteel senescente muizen Met cellulaire morfologische degeneratie hebben experimenten aangetoond dat Cistanche het goede antioxiderende vermogen heeft en heeft het potentieel om een ​​medicijn te zijn om huidverouderingsziekten te voorkomen en te behandelen. Tegelijkertijd heeft echinacoside in Cistanche een aanzienlijk vermogen om DPPH-vrije radicalen op te vangen en reactieve zuurstofsoorten op te vangen, door vrije radicalen veroorzaakte collageenafbraak te voorkomen en heeft het ook een goed herstellend effect op anionschade door vrije radicalen van thymine.

Klik op Cistanche-bijwerkingen Reddit

【Voor meer info: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Trefwoorden: voedingssupplementen; GGO's; melatonine; micro-organismen; fytomelatonine; plantaardige grondstof

1. Inleiding

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 procent in de komende 5 jaar. Met deze aanzienlijke toename van de vraag waren de slapeloosheidsproblemen die werden veroorzaakt door de COVID{2}}-pandemie van groot belang [3]. Noord-Amerika heeft verreweg het hoogste verbruik, gevolgd door Europa. De wereldwijde melatoninemarkt wordt voornamelijk gecontroleerd door enkele grote bedrijven, zoals BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma en Biotics Research Co. Merk op dat de consumptie van melatonine voor medische doeleinden ongeveer 50 procent van de geproduceerde synthetische melatonine; de rest heeft chemische en industriële toepassingen [2,4].

Biologisch gezien is melatonine een molecuul dat wijd verspreid is in alle koninkrijken van levende organismen [5]. Ontdekt in 1958 in de pijnappelklier van een koe [6] en later bij mensen [7], is het een van de meest bestudeerde biomoleculen en zijn meerdere functies zijn bekend, voornamelijk bij zoogdieren [8,9], maar ook bij vissen [10–12], pluimvee [13,14] en ongewervelde dieren [15]. In dierlijke en menselijke cellen werkt melatonine als een antioxidant - een relevante rol die eraan werd toegeschreven in 1993 [16-18]. Melatonine werkt als een interessante celbeschermer in stressvolle situaties, in verschillende fysiologische aspecten bij mensen, en, volgens meerdere studies, bevordert het een verbetering van verschillende ziekten en disfuncties. Figuur 1 toont enkele van de beschermende en regulerende werking van melatonine bij mensen en presenteert melatonine als een interessant pleiotroop molecuul, dat opvalt door zijn relevantie, de rol van melatonine bij de regulatie van het lipiden- en glucosemetabolisme, het induceren van nachtelijke insulineresistentie en dagelijkse insuline gevoeligheid. Dit effect lijkt verband te houden met nachtelijk vasten en dagelijkse voeding, waardoor overmatige gewichtstoename wordt voorkomen [19]. We benadrukken ook zijn rol als een anti-oncogeen middel, dat de groei, proliferatie en metastase van verschillende tumoren remt. De behandeling van tumoren met melatonine verbeterde de gevoeligheid voor chemo- en radiotherapie en werkte als een synergetisch molecuul bij de controle van kankercellen. Bovendien vermindert melatonine acute schade aan normale cellen en beschermt ze tegen medicijntoxiciteit, mogelijk door de immuunrespons te versterken [20-22]. Onder de disfuncties en ziekten waar de gunstige effecten van melatonine zijn bestudeerd, bevinden zich neurologische aandoeningen, zoals de ziekte van Alzheimer, Parkinson, fibromyalgie, depressie, aandachtstekortstoornis met hyperactiviteit, autisme en migraine; cardiovasculaire gezondheidsproblemen, waaronder hypercholesterolemie, hypertensie, metabool syndroom en glycemische onbalans; gastro-intestinale gezondheidsproblemen, zoals gastro-oesofageale reflux, zweren en prikkelbare darmsyndroom; immunologische gezondheidsproblemen, zoals multiple sclerose, auto-immuunreacties (atletische stress, toxische stress, psoriasis, enz.), sepsis, COVID-19, enz. [3,23–26]; en ook osteopenie [27], sarcopenie [28], pre-eclampsie, vruchtbaarheid, polycysteus ovariumsyndroom en menopauze, onder andere [29-32]. Hoewel melatonine een molecuul is dat sinds de jaren vijftig uitgebreid is bestudeerd, vereisen de uitgevoerde studies meer klinische en uitgebreide dubbelblinde onderzoeken om de soms verwarrende pleiotrope werking ervan te verduidelijken [33,34].

Melatonine staat echter bekend als het hormoon dat de slaap reguleert. De oscillerende niveaus in de bloedstroom volgens de perioden van licht en duisternis (circadiaanse ritmes) als gevolg van de afgifte van melatonine door de pijnappelklier is een van de meest bestudeerde en bekende aspecten van dit molecuul. De toename van het melatoninegehalte in het bloed tijdens de eerste slaapperiode tot ongeveer 150-220 polen/ml werkt in op het inslapen, vermindert de slaaplatentie en -fragmentatie en verhoogt de slaapduur en -kwaliteit [1,35,36]. Melatonine werkt als een interne synchronisator van de circadiane slaap-waakcyclus en seizoensgebonden ritmiek. In die zin zijn veel slaapstoornissen behandeld met melatonine, waaronder het vertraagde slaapfasesyndroom, slaapstoornis bij nachtdienst, seizoensgebonden affectieve stoornis, slaapstoornissen bij blinden en ouderen, en pathofysiologische stoornissen van kinderen, met opmerkelijke verbeteringen in de slaapkwaliteit. 37-41]. De meest voorkomende aandoening die met melatonine wordt behandeld, is jetlag – een defasering van het slaap-waakritme na trans-oceanische vluchten [42-45]. Mogelijk heeft de nadruk in studies op zijn rol als slaapregulator geleid tot een gebrek aan studies over zijn mogelijke rol in vele andere fysiologische en klinische aspecten.

Melatonine in planten, het zogenaamde fytomelatonine, werd in 1995 gelijktijdig ontdekt door drie onderzoeksgroepen in divers plantaardig materiaal [46-48]. De term fytomelatonine, die verwijst naar melatonine van plantaardige oorsprong (planten en algen), wordt gebruikt om het te onderscheiden van dierlijke en/of synthetische melatonine. Deze term is zeer wijdverspreid en wordt continu gebruikt in studies van fytochemie, plantenfysiologie, botanie, voedselchemie, enz., Op plantenmelatonine. In planten is fytomelatonine ook een pleiotroop molecuul, dat meerdere rollen vervult in diverse fysiologische reacties (Figuur 1). De regulatie door melatonine van aspecten zoals fotosynthese, inclusief stomatale CO2-opname en waterbesparing, koolhydraat-, lipide-, stikstof- en zwavelmetabolisme, en eenvoudig fenol-, flavonoïde- en terpenoïdemetabolisme, heeft aangetoond dat er een cruciale interesse is in de fundamentele en technische processen van vegetatieve processen. (ontkieming, plantengroei, beworteling, vertakking, enz.) en reproductieve ontwikkeling, inclusief vruchtbaarheid, parthenocarpie, zaad- en vruchtontwikkeling, rijping, veroudering en het behoud van fruit en snijbloemen [49-53]. Over het algemeen reguleert melatonine deze processen door de werking van het plantenhormoonnetwerk, waarbij verschillende biosynthese-, katabolische en transcriptiefactoren die gerelateerd zijn aan plantenhormonen omhoog/omlaag worden gereguleerd [54-56]. Een van de aspecten van het grootste agronomische en biotechnologische belang is de rol van fytomelatonine als promotor van tolerantie tegen biotische en abiotische stress [57-68] (Figuur 1). Momenteel wordt fytomelatonine gepresenteerd als een interessant milieuvriendelijk hulpmiddel om biologische ziekten te beheersen en om de weerstand/aanpassing van planten aan/tegen klimaatverandering te vergemakkelijken.

2. Biosynthese van melatonine

Melatonine is een geacetyleerde verbinding afgeleid van serotonine. Beide indoolaminen worden gesynthetiseerd uit het aminozuur tryptofaan in een biosynthetische route die uitgebreid is bestudeerd in zowel dieren als planten [69,70]. In planten wordt tryptofaan door het enzym tryptofaan decarboxylase (TDC) omgezet in tryptamine (Figuur 2). Tryptamine wordt vervolgens omgezet in 5-hydroxytryptamine (serotonine) door tryptamine 5-hydroxylase (T5H), een enzym dat uitgebreid is bestudeerd in rijst en dat met veel substraten zou kunnen werken, hoewel dit niet is onderzocht diepgaand. Serotonine wordt N-geacetyleerd door serotonine N-acetyltransferase (SNAT). N-acetylserotonine wordt vervolgens gemethyleerd door acetylserotonine-methyltransferase (ASMT) - een hydroxy-indool-O-methyltransferase - dat melatonine genereert. In planten kan de methylering van N-acetylserotonine ook worden uitgevoerd door cafeïnezuur O-methyltransferase (COMT), een klasse enzymen die op verschillende substraten kan inwerken, waaronder cafeïnezuur en quercetine [71]. Serotonine kan ook worden omgezet in 5-methoxytryptamine door ASMT/COMT om melatonine te genereren na de werking van SNAT. Deze route zou voorkomen in senescentie- en/of stresssituaties [70,72]. Bovendien kan melatonine worden gegenereerd door de vorming van N-acetyltryptamine door SNAT, dat door T5H zou worden omgezet in N-acetylserotonine [73], hoewel deze route niet is aangetoond, mogelijk omdat T5H het minst bestudeerde enzym van de route is. (Figuur 2). Interessant is dat er tot wel vier genen zijn geïdentificeerd die coderen voor histondeacetylasen (DAC's) in rijstplanten die de stappen van serotonine naar N-acetylserotonine en van 5-methoxytryptamine naar melatonine kunnen omkeren. DAC, tot expressie gebracht in de chloroplast, vertoonde enzymactiviteit voor N-acetylserotonine, N-acetyltryptamine en melatonine, met de hoogste deacetylase-activiteit voor N-acetyltyramine [74].

In dierlijke cellen wordt serotonine gevormd uit 5-hydroxytryptofaan na de sequentiële werking van tryptofaanhydroxylase (TPH) en TDC. Hoewel TPH niet is gedetecteerd in planten, suggereerde de aanwezigheid van 5-hydroxytryptofaan dat bepaalde enzymatische activiteit, zoals die van TPH, in mindere mate werkt in plantencellen. Bovendien kan melatonine worden gegenereerd door de vorming van 5-methoxytryptamine, voornamelijk onder stressomstandigheden, zoals voorgesteld door verschillende auteurs, wat suggereert dat de biosyntheseroute van melatonine verschillende alternatieve routes kan volgen in vergelijking met dierlijke cellen, met een groter aanpassingsvermogen tot metabole veranderingen in planten [72,75]. Alle genoemde enzymen zijn gedetecteerd en gekarakteriseerd in rijst en Arabidopsis, behalve TPH, dat wel bekend is bij dieren maar niet bij planten. Desalniettemin hebben sommige auteurs voorgesteld dat T5H kan werken als een hydroxylase met een lage substraatspecificiteit en in staat is om te werken in alle beschreven hydroxyleringsstappen [70,76-79]. Deze zelfde brede substraatspecificiteit kan ook worden toegeschreven aan SNAT-, ASMT- en COMT-enzymen. Melatonine-tussenproducten worden geproduceerd in verschillende subcellulaire compartimenten, zoals het cytoplasma, endoplasmatisch reticulum, mitochondriën en chloroplasten, die de daaropvolgende enzymatische stappen bepalen [80,81].

Bij micro-organismen zijn er weinig studies over de biosyntheseroute van melatonine [82]. Saccharomyces en bacteriën (Geobacillus, Bacillus en Pseudomonas) produceerden zowel serotonine als melatonine in verschillende concentraties [83-89]. Bovendien werd de productie van melatonine door andere auteurs aangetoond in de culturen van de gisten Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae en S. uvarum en bacteriën (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus en Oenococcus) [85,90,91] en eerder in de fotosynthetische bacteriën Rhodospirillum rubrum [92] en Erythrobacter longus [93] en Escherichia coli [94].

In de gist Saccharomyces cerevisiae lijkt, in tegenstelling tot planten en dieren, de biosynthese van 5-hydroxytryptofaan uit tryptofaan niet plaats te vinden. Interessant is dat verschillende van de beschreven stadia omkeerbaar lijken te zijn bij S. cerevisiae, zoals tussen 5-hydroxytryptofaan en serotonine, N-acetylserotonine en melatonine, en 5-methoxytryptamine en melatonine [90,95], zoals gedetailleerd weergegeven in figuur 2. In Bacillus amyloliquefaciens SB-9 en Pseudomonas fluorescens RG11 werd 5- hydroxytryptofaan, serotonine en N-acetylserotonine, maar geen tryptamine gedetecteerd [85,86]. Dus werden verschillende genen van bacteriële oorsprong gebruikt om een ​​melatonine-producerende Escherichia coli-stam te bouwen. Het DDC-gen, dat codeert voor een aromatisch L-aminozuurdecarboxylase van Candidatus Koribacter veelzijdig Ellin 345 en Draconibacterium orientale, en het AANAT-gen, dat codeert voor een alkylamine N-acetyltransferase van Streptomyces griseofuscus, werden bijvoorbeeld getest [96,97]. Ongetwijfeld zijn verdere studies nodig om de volledige biosynthetische routes van melatonine in verschillende prokaryote en eukaryote microben op te helderen [82].

3. Biologische melatonine versus synthetische melatonine

Aanvankelijk werd melatonine verkregen voor experimentele en klinische studies uit dierlijke bronnen (voornamelijk uit de pijnappelklier en urine), met als gevolg het risico van virale overdracht [98,99]. Deze technieken werden ingetrokken toen melatonine kon worden verkregen door chemische synthese [100]. Momenteel wordt alle melatonine die voor industriële en medische doeleinden wordt gebruikt, verkregen met behulp van chemische synthesemethoden. Deze methoden, die in de jaren 80 ernstige problemen opleverden, waaronder sterfgevallen als gevolg van de aanwezigheid van bijproducten van de synthese van tryptofaan [101], zijn tegenwoordig veel veiliger en efficiënter. Melatoninepreparaten hebben echter de aanwezigheid beschreven van een hele reeks ongewenste bijproducten vanwege hun toxische aard. Figuur 3 toont drie van de meest gebruikte chemische syntheseroutes voor melatonine en de bijproducten die bij de synthese ontstaan ​​[102]. De synthese van melatonine uit tryptofaanderivaten (Figuur 3, Schema A) genereert toxische bijproducten die soms significante ziekten hebben veroorzaakt, zoals het eosinofilie-myalgiesyndroom [101,103,104], terwijl de meest gangbare methoden (Figuur 3, Schema B) voor de synthese van melatonine uit ftalimide [105] doen belangrijke twijfels rijzen over de toxiciteit van verschillende bijproducten die worden gegenereerd [106]. Bovendien vormen Fischer-indoolreacties van allylamine (Figuur 3, Schema C) gevaarlijke en toxische reagentia [107].

Aan de andere kant wordt het verkrijgen van melatonine uit niet-dierlijke biologische bronnen gepresenteerd als een sterk engagement voor de toekomst, niet om synthetische melatonine te vervangen, maar om een ​​meer natuurlijke complementaire en alternatieve bron te zijn [108].

4. Strategieën om biologische melatonine te verkrijgen

Melatonine is aanwezig in alle bekende biologische soorten, van prokaryoten tot eukaryoten, inclusief gisten, algen, schimmels en planten, evenals dieren [80,109-111]. Hieronder worden de methodologieën gepresenteerd die zijn ontwikkeld in micro-organismen en planten als mogelijke bronnen van natuurlijke melatonine.

4.1. Melatonine van micro-organismen

A. saccharomyces

De eerste benadering van de productie van biologische melatonine is onlangs gemaakt door een groep van het Deense farmaceutische bedrijf Novo Nordisk met behulp van genetisch gemodificeerde Saccharomyces cerevisiae (Tabel 1, product #1). Germann en collega's construeerden een recombinante melatonine-route in een giststam die heterologe genen bevatte die coderen voor verschillende melatonine-biosynthese-enzymen en co-factor-ondersteunende routes [112]. De transgene gist codificeerde verschillende genen van Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus en Salmonella enterica. Door gisten alleen glucose en acetyl Co-A te voeren, bereikte de melatonineproductie 14,5 mg·L −1 na 76 uur. Desalniettemin moeten volgens andere auteurs enkele problemen, zoals hoge N-acetylserotonine-accumulatie in gistcellen, onevenwichtige genexpressie en de identificatie van enkele potentiële toxische tussenproducten, worden aangepakt [113].

B. Escherichia coli

In een tweede benadering, dit keer met behulp van een transgeen-gemodificeerde Escherichia coli-cultuur (Tabel 1, product #2), rapporteerde Novo Nordisk de biologische melatonineproductie van een heterologe stam geconstrueerd uit recombinante E. coli, waaronder verschillende genen zoals het TDC-gen van Candidatus Koribacter veelzijdig, het SNAT-gen van Streptomyces griseofuscus en het menselijke ASMT-gen. Bovendien werden sommige tryptofaan-gerelateerde genen geblokkeerd of verwijderd om ongewenste repressie, afbraak en exporttransport te voorkomen [96,97]. Na verschillende spanningsverbeteringen en voeding met minerale zouten, vitamines en antibiotica, genereerden de gekweekte cellen melatonine met ~1 g·L −1 met behulp van glucose als enige koolstofbron en tot 2 g·L −1 in met tryptofaan gevoede cellen. met verwaarloosbare hoeveelheden bijproducten. Volgens de auteurs kunnen deze GGO E. coli-stammen dus de basis vormen voor toekomstige biologisch commerciële melatonineproductie met behulp van microbiële celfabrieken. Desalniettemin kan het gebruik van transgene organismen om stoffen voor menselijke consumptie te produceren problematisch zijn wanneer het doel is om een ​​natuurlijk product aan een gesensibiliseerde consument of anti-ggo-consument te brengen.

C. Melkzuurbacteriën

Melatonine werd ook industrieel geproduceerd door microbiële fermentatie, zoals vermeld in [114]. De biosynthese van melatonine werd aangestuurd door melkzuurbacteriën met meerdere stammen, zoals Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei ondersoort. sake, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterokokken sp. (E. faecalis TH10); en Streptococcus thermophilus. De producten die met deze technologie zijn vervaardigd, worden door Quantum Nutrition Labs (Texas, VS) op de markt gebracht als Melatonin Drops, Qultured™, die 8 mg melatonine uit gist bevatten (tabel 1, product #3).

D. Chlorella

Een product gemaakt van algen is Herbatonin® (Tabel 1, product #4), geformuleerd in pillen die 0.3 of 3 mg fytomelatonine bevatten, hoewel het in Europa wordt verkocht in doses van 0.3 en 1,9 mg, volgens de EU-wetgeving. Deze formulering bevat verschillende plantensoorten zoals rijst (Oryza sativa L.) en alfalfa (Medicago sativa L.), samen met de groene alg Chlorella pyrenoidosa en C. vulgaris. Onze gegevens laten zien dat deze microalgen niet meer dan 2–15 ng·g DW−1 bevatten [115], en dat de begeleidende plantensoorten zeer lage niveaus van fytomelatonine bevatten, 1–5 ng·g−1 in rijst en 16 ng·g −1 in alfalfa [116]. De aanwezigheid van Chlorella suggereert dat de fytomelatonine voornamelijk wordt verkregen door de groene algen te kweken in bioreactoren, mogelijk gevoed met voorlopers zoals tryptofaan, op een vergelijkbare manier als in Achillea millefolium [117], hoewel er geen gepubliceerde gegevens zijn over de methode van het verkrijgen van deze fytomelatonine-rijke extracten, alleen hun biochemische karakterisering [118]. Er zijn ook geen gegevens over de beheersing van de aanwezigheid van cyanotoxinen in deze extracten vanwege de mogelijke besmettingen met cyanobacteriën (blauwalgen). Deze cyanotoxinen hebben verschillende ongewenste effecten die verband houden met onder andere carcinogeniteit, hepatotoxiciteit en neurotoxiciteit. De detectie van cyanotoxinen in sommige voedingssupplementen voor algen versterkt dus de behoefte aan betere kwaliteitscontrole [119,120].

【Voor meer info: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】