Melatonin fra mikroorganismer, alger og planter som mulige alternativer til syntetisk melatonin del 1

Abstrakt: Melatonin kosttilskud forbruges bredt på verdensplan, med udviklede lande som de største forbrugere, med en estimeret årlig vækstrate på cirka 10 procent frem til 2027, hovedsageligt i udviklingslande. Den brede brug af melatonin mod søvnforstyrrelser og særlige problemer, såsom jetlag, er blevet tilføjet til andre applikationer, såsom anti-aging, anti-stress, immunsystemaktivering, anticancer og andre, som har udløst dets brug, generelt uden recept. Den kemiske industri dækker i øjeblikket 100 procent af melatoninmarkedets behov. Motiveret af sektorer med mere naturlige forbrugsvaner opstod muligheden for at få melatonin fra planter, kaldet phytomelatonin, for nogle år siden. For nylig har den farmaceutiske industri udviklet genetisk modificerede mikroorganismer, hvis evne til at producere naturlig melatonin i bioreaktorer er blevet forbedret. Dette papir gennemgår aspekterne af den kemiske og biologiske syntese af melatonin til konsum, hovedsageligt som et kosttilskud. Fordele og ulemper ved at få melatonin fra mikroorganismer og phytomelatonin fra planter og alger analyseres, samt fordelene ved naturlig melatonin, der undgår uønskede kemiske biprodukter fra den kemiske syntese af melatonin. Til sidst analyseres disse nye produkters økonomiske og kvalitetsmæssige aspekter, hvoraf nogle allerede er markedsført.

Glycoside af cistanche kan også øge aktiviteten af ​​SOD i hjerte- og levervæv og signifikant reducere indholdet af lipofuscin og MDA i hvert væv, hvilket effektivt fjerner forskellige reaktive iltradikaler (OH-, H₂O₂ osv.) og beskytter mod DNA-skader forårsaget af OH-radikaler. Cistanche phenylethanoid glycosider har en stærk opfangningsevne af frie radikaler, en højere reducerende evne end C-vitamin, forbedrer aktiviteten af ​​SOD i spermsuspension, reducerer indholdet af MDA og har en vis beskyttende effekt på spermmembranfunktionen. Cistanche-polysaccharider kan øge aktiviteten af ​​SOD og GSH-Px i erytrocytter og lungevæv fra eksperimentelt senescent mus forårsaget af D-galactose, samt reducere indholdet af MDA og kollagen i lunge og plasma, og øge indholdet af elastin, har en god rensende effekt på DPPH, forlænge hypoksitiden hos senescent mus, forbedre aktiviteten af ​​SOD i serum og forsinke den fysiologiske degeneration af lunge hos eksperimentelt senescerende mus Med cellulær morfologisk degeneration har forsøg vist, at Cistanche har den gode antioxidantevne og har potentialet til at være et lægemiddel til at forebygge og behandle hudaldringssygdomme. Samtidig har echinacosid i Cistanche en betydelig evne til at opfange DPPH-frie radikaler og kan opfange reaktive oxygenarter, forhindre frie radikal-induceret kollagennedbrydning og har også en god reparationseffekt på anionskader af thymin fra frie radikaler.

Klik på Cistanche Side Effects Reddit

【For mere info: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】

Nøgleord: kosttilskud; GMO'er; melatonin; mikroorganismer; phytomelatonin; planteråmateriale

1. Introduktion

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 over de næste 5 år. Med denne betydelige stigning i efterspørgslen har søvnløshedsproblemerne som følge af COVID-19-pandemien været af stor relevans [3]. Nordamerika har det klart højeste forbrug efterfulgt af Europa. Det globale melatoninmarked kontrolleres hovedsageligt af nogle få store virksomheder, såsom BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma og Biotics Research Co. Bemærk, at forbruget af melatonin til medicinske formål involverer ca. 50 procent af det syntetiske melatonin, der produceres; resten har kemiske og industrielle anvendelser [2,4].

Biologisk er melatonin et molekyle udbredt i alle riger af levende organismer [5]. Opdaget i 1958 i pinealkirtlen på en ko [6] og senere hos mennesker [7], er det et af de mest undersøgte biomolekyler, og dets mangfoldige funktioner er kendt, hovedsageligt hos pattedyr [8,9], men også i fisk [10-12], fjerkræ [13,14] og hvirvelløse dyr [15]. I dyre- og menneskeceller virker melatonin som en antioxidant - en relevant rolle tilskrevet det i 1993 [16-18]. Melatonin fungerer som en interessant cellebeskytter i stressede situationer, i forskellige fysiologiske aspekter hos mennesker og gavner ifølge flere undersøgelser en forbedring af forskellige sygdomme og dysfunktioner. Figur 1 viser nogle af de beskyttende og regulerende virkninger af melatonin hos mennesker og præsenterer melatonin som et interessant pleiotropisk molekyle, der skiller sig ud på grund af dets relevans, melatonins rolle i reguleringen af ​​lipid- og glucosemetabolisme, hvilket inducerer natlig insulinresistens og daglig insulinresistens. følsomhed. Denne effekt synes at være forbundet med natlig faste og daglig fodring, hvilket forhindrer overdreven vægtøgning [19]. Vi fremhæver også dets rolle som et anti-onkogent middel, der hæmmer væksten, spredningen og metastasen af ​​flere tumorer. Behandlingen af ​​tumorer med melatonin forbedrede kemo- og strålebehandlingsfølsomheden og fungerede som et synergistisk molekyle i kontrollen af ​​kræftceller. Derudover mildner melatonin akut skade på normale celler og beskytter dem mod lægemiddeltoksicitet, muligvis ved at forbedre immunresponser [20-22]. Blandt de dysfunktioner og sygdomme, hvor de gavnlige virkninger af melatonin er blevet undersøgt, er neurologiske, såsom Alzheimers, Parkinsons, fibromyalgi, depression, opmærksomhedsunderskud hyperaktivitetsforstyrrelse, autisme og migræne; kardiovaskulære sundhedsproblemer, herunder hyperkolesterolæmi, hypertension, metabolisk syndrom og glykæmisk ubalance; gastrointestinale sundhedsproblemer, såsom gastroøsofageal refluks, sår og irritabel tyktarm; immunologiske sundhedsproblemer, såsom multipel sklerose, autoimmune reaktioner (atletisk stress, toksisk stress, psoriasis osv.), sepsis, COVID-19 osv. [3,23-26]; og også osteopeni [27], sarkopeni [28], præeklampsi, fertilitet, polycystisk ovariesyndrom og overgangsalder, blandt andre [29-32]. Men selvom melatonin er et molekyle, der er blevet undersøgt bredt siden 1950'erne, kræver de udførte undersøgelser mere kliniske og omfattende dobbeltblindede forsøg for at afklare dets til tider forvirrende pleiotrope virkning [33,34].

Melatonin er dog kendt for at være det hormon, der regulerer søvnen. Dets svingende niveauer i blodgennemstrømningen i henhold til perioderne med lys og mørke (døgnrytme) på grund af frigivelsen af ​​melatonin fra pinealkirtlen er et af de mest undersøgte og kendte aspekter af dette molekyle. Stigningen i blodets melatoninniveauer i løbet af den første søvnperiode til omkring 150-220 poler/ml virker på søvninitiering, reducerer søvnlatens og fragmentering og øger søvnens varighed og kvalitet [1,35,36]. Melatonin fungerer som en intern synkronisering af den døgnrytme søvn-vågen cyklus og sæsonbestemt rytme. I denne forstand er mange søvnforstyrrelser blevet behandlet med melatonin, herunder forsinket søvnfasesyndrom, søvnforstyrrelse ved nattehold, sæsonbestemt affektiv lidelse, søvnforstyrrelser hos blinde og aldrende og patofysiologiske lidelser hos børn, med bemærkelsesværdige forbedringer i søvnkvalitet [ 37-41]. Den mest udbredte lidelse, der behandles med melatonin, er jetlag - en affasning i søvn-vågen-rytmer efter trans-oceaniske flyvninger [42-45]. Muligvis har vægten i undersøgelser af dens rolle som søvnregulator forårsaget en mangel på undersøgelser af dens mulige rolle i mange andre fysiologiske og kliniske aspekter.

Melatonin i planter, såkaldt phytomelatonin, blev opdaget samtidigt af tre forskergrupper i forskelligartet plantemateriale i 1995 [46-48]. Udtrykket phytomelatonin, som refererer til melatonin af vegetabilsk oprindelse (planter og alger), bruges til at differentiere det fra animalsk og/eller syntetisk melatonin. Dette udtryk er meget udbredt og bruges løbende i undersøgelser af fytokemi, plantefysiologi, botanik, fødevarekemi osv. på plantemelatonin. I planter er phytomelatonin også et pleiotropisk molekyle, der præsenterer flere roller i forskellige fysiologiske reaktioner (figur 1). Melatonin-reguleringen af ​​aspekter som fotosyntese, herunder stomatal CO2-optagelse og vandøkonomi, kulhydrat-, lipid-, nitrogen- og svovlmetabolisme og simpel phenol-, flavonoid- og terpenoidmetabolisme, har vist afgørende interesse for de grundlæggende og tekniske processer af vegetativ (spiring, plantevækst, roddannelse, forgrening osv.) og reproduktiv udvikling, herunder frugtbarhed, parthenokarpi, frø- og frugtudvikling, modning, alderdom og konservering af frugter og afskårne blomster [49-53]. Generelt regulerer melatonin disse processer gennem virkningen af ​​plantehormonnetværket, op/nedregulerer adskillige biosyntese-, kataboliske og transkriptionsfaktorer, der er plantehormon-relaterede [54-56]. Et af aspekterne af størst agronomisk og bioteknologisk interesse er phytomelatonins rolle som en promotor af tolerance mod biotiske og abiotiske belastninger [57-68] (figur 1). I øjeblikket præsenteres phytomelatonin som et interessant miljøvenligt værktøj til at kontrollere biologiske sygdomme og til at lette planters resistens/tilpasning til/mod klimaændringer.

2. Biosyntese af Melatonin

Melatonin er en acetyleret forbindelse afledt af serotonin. Begge indoliske aminer syntetiseres fra aminosyren tryptofan i en biosyntetisk vej, der er blevet grundigt undersøgt i både dyr og planter [69,70]. I planter omdannes tryptofan til tryptamin af enzymet tryptophan decarboxylase (TDC) (figur 2). Tryptamin omdannes derefter til 5-hydroxytryptamin (serotonin) af tryptamin 5-hydroxylase (T5H), et enzym, der er blevet grundigt undersøgt i ris, og som kunne virke sammen med mange substrater, selvom dette ikke er blevet undersøgt i dybden. Serotonin N-acetyleres af serotonin N-acetyltransferase (SNAT). N-acetylserotonin methyleres derefter af acetylserotonin-methyltransferase (ASMT) - en hydroxyindol-O-methyltransferase - som genererer melatonin. I planter kan methyleringen af ​​N-acetylserotonin også udføres af koffeinsyre O-methyltransferase (COMT), en klasse af enzymer, der kan virke på en række forskellige substrater, herunder koffeinsyre og quercetin [71]. Serotonin kan også omdannes til 5-methoxytryptamin af ASMT/COMT for at generere melatonin efter virkningen af ​​SNAT. Denne rute ville forekomme i alderdoms- og/eller stresssituationer [70,72]. Ydermere kan melatonin genereres gennem dannelsen af ​​N-acetyltryptamin af SNAT, som ville blive omdannet til N-acetylserotonin af T5H [73], selvom denne vej ikke er blevet påvist, muligvis fordi T5H er det mindst undersøgte enzym af vejen (Figur 2). Interessant nok er op til fire gener, der koder for histon-deacetylaser (DAC) blevet identificeret i risplanter, der kan vende trinene fra serotonin til N-acetylserotonin og fra 5-methoxytryptamin til melatonin. DAC, udtrykt i kloroplasten, udviste enzymaktivitet mod N-acetylserotonin, N-acetyltryptamin og melatonin, med den højeste deacetylaseaktivitet for N-acetyltyramin [74].

I dyreceller dannes serotonin ud fra 5-hydroxytryptophan efter den sekventielle virkning af tryptophanhydroxylase (TPH) og TDC. Selvom TPH ikke er blevet påvist i planter, tyder tilstedeværelsen af ​​5-hydroxytryptophan på, at en vis enzymatisk aktivitet, såsom den af ​​TPH, virker i mindre grad i planteceller. Desuden kan melatonin genereres gennem dannelsen af ​​5-methoxytryptamin, hovedsageligt under stressforhold som foreslået af flere forfattere, hvilket tyder på, at melatoninbiosyntesevejen kan følge forskellige alternative veje sammenlignet med dyreceller med en større evne til at tilpasse sig til metaboliske ændringer i planter [72,75]. Alle de nævnte enzymer er blevet påvist og karakteriseret i ris og Arabidopsis, undtagen TPH, som er velkendt hos dyr, men ikke i planter. Ikke desto mindre har nogle forfattere foreslået, at T5H kan fungere som en hydroxylase med lav substratspecificitet og er i stand til at virke i alle de beskrevne hydroxyleringstrin [70,76-79]. Den samme brede substratspecificitet kan også tilskrives SNAT-, ASMT- og COMT-enzymer. Melatonin-mellemprodukter produceres i forskellige subcellulære rum, såsom cytoplasma, endoplasmatisk reticulum, mitokondrier og kloroplaster, som bestemmer de efterfølgende enzymatiske trin [80,81].

I mikroorganismer er der få undersøgelser af melatoninbiosyntesevejen [82]. Saccharomyces og bakterier (Geobacillus, Bacillus og Pseudomonas) producerede både serotonin og melatonin i forskellige koncentrationer [83-89]. Desuden blev produktionen af ​​melatonin påvist af andre forfattere i kulturerne af gærsvampene Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae og S. uvarum og bakterier (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus og Oenococcus) [85,90,91] i de fotosyntetiske bakterier Rhodospirillum rubrum [92] og Erythrobacter longus [93] og Escherichia coli [94].

I gæren Saccharomyces cerevisiae, i modsætning til hos planter og dyr, ser det ud til, at biosyntesen af ​​5-hydroxytryptophan fra tryptophan ikke forekommer. Interessant nok ser flere af de beskrevne stadier ud til at være reversible i S. cerevisiae, såsom mellem 5-hydroxytryptophan og serotonin, N-acetylserotonin og melatonin og 5-methoxytryptamin og melatonin [90,95], som beskrevet i figur 2. I Bacillus amyloliquefaciens SB-9 og Pseudomonas fluorescens RG11, 5- hydroxytryptophan, serotonin og N-acetylserotonin, men ingen tryptamin blev påvist [85,86]. Så flere gener af bakteriel oprindelse blev brugt til at bygge en melatonin-producerende Escherichia coli-stamme. For eksempel blev DDC-genet, der koder for en aromatisk L-aminosyredecarboxylase fra Candidatus Koribacter alsidige Ellin 345 og Draconibacterium orientale, og AANAT-genet, der koder for en alkylamin N-acetyltransferase fra Streptomyces griseofuscus, analyseret [96,97]. Der er utvivlsomt behov for yderligere undersøgelser for at belyse de komplette biosyntetiske veje for melatonin i forskellige prokaryote og eukaryote mikrober [82].

3. Biologisk Melatonin versus Syntetisk Melatonin

Til at begynde med blev melatonin opnået til eksperimentelle og kliniske undersøgelser fra dyrekilder (hovedsageligt fra pinealkirtlen og urin), med den deraf følgende risiko for viral transmission [98,99]. Disse teknikker blev trukket tilbage, da melatonin kunne opnås ved kemisk syntese [100]. I øjeblikket opnås alt melatonin, der anvendes til industrielle og medicinske formål, ved at bruge kemiske syntesemetoder. Disse metoder, som præsenterede alvorlige problemer i 1980'erne, herunder dødsfald som følge af tilstedeværelsen af ​​biprodukter fra syntese fra tryptofan [101], er meget sikrere og mere effektive i dag. Melatoninpræparater har imidlertid beskrevet tilstedeværelsen af ​​et helt sæt af uønskede biprodukter på grund af deres giftige natur. Figur 3 viser tre af de mest almindeligt anvendte kemiske synteseveje for melatonin og de biprodukter, der genereres i dets syntese [102]. Syntesen af ​​melatonin fra tryptofan-derivater (figur 3, skema A) genererer toksiske biprodukter, der nogle gange har forårsaget betydelige sygdomme, såsom eosinofili-myalgi-syndrom [101,103,104], mens de mest aktuelle metoder (figur 3, skema B) for syntese af melatonin fra phthalimid [105] rejser væsentlig tvivl om toksiciteten af ​​flere af de biprodukter, der dannes [106]. Derudover præsenterer Fischer-indolreaktioner fra allylamin (figur 3, skema C) farlige og giftige reaktanter [107].

På den anden side præsenteres opnåelse af melatonin fra ikke-animalske biologiske kilder som en stærk forpligtelse til fremtiden, ikke for at erstatte syntetisk melatonin, men for at være en mere naturlig komplementær og alternativ kilde [108].

4. Strategier til at opnå biologisk melatonin

Melatonin er til stede i alle kendte biologiske arter, fra prokaryoter til eukaryoter, inklusive gær, alger, svampe og planter, såvel som dyr [80,109-111]. Nedenfor præsenteres de metoder, der er udviklet i mikroorganismer og planter som mulige kilder til naturlig melatonin.

4.1. Melatonin fra mikroorganismer

en. Saccharomyces

Den første tilgang til produktion af biologisk melatonin er for nylig blevet lavet af en gruppe af den danske medicinalvirksomhed Novo Nordisk ved hjælp af genetisk modificeret Saccharomyces cerevisiae (tabel 1, produkt #1). Germann og kolleger konstruerede en rekombinant melatonin-vej i en gærstamme, der indeholdt heterologe gener, der koder for flere melatonin-biosyntese-enzymer og co-faktor-understøttende veje [112]. Den transgene gær kodificerede forskellige gener fra Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus og Salmonella enterica. Ved kun at fodre gær med glucose og acetyl Co-A nåede melatoninproduktionen 14,5 mg·L -1 ved 76 timer. Ikke desto mindre, ifølge andre forfattere, skal nogle problemer, såsom høj N-acetylserotonin-akkumulering i gærceller, ubalanceret genekspression og identifikation af nogle potentielle toksiske mellemprodukter, løses [113].

b. Escherichia coli

I en anden tilgang, denne gang ved brug af en transgen-modificeret Escherichia coli-kultur (tabel 1, produkt #2), rapporterede Novo Nordisk den biologiske melatoninproduktion fra en heterolog stamme konstrueret af rekombinant E. coli, herunder adskillige gener såsom TDC-genet fra Candidatus Koribacter alsidig, SNAT-genet fra Streptomyces griseofuscus og det humane ASMT-gen. Derudover blev nogle tryptofan-relaterede gener blokeret eller deleteret for at forhindre uønsket undertrykkelse, nedbrydning og eksporttransport [96,97]. Efter adskillige belastningsforbedringer og fodring med mineralsalte, vitaminer og antibiotika genererede de dyrkede celler melatonin ved ~1 g·L -1 ved at bruge glukose som den eneste kulstofkilde og op til 2 g·L -1 i tryptophan-fodrede celler, med ubetydelige mængder af biprodukter. Disse GMO E. coli-stammer kan således ifølge forfatterne være grundlaget for fremtidig biologisk kommerciel melatoninproduktion ved brug af mikrobielle cellefabrikker. Ikke desto mindre kan brugen af ​​transgene organismer til at producere stoffer til konsum være problematisk, når målet er at bringe et naturprodukt til en sensibiliseret forbruger eller anti-GMO forbruger.

c. Mælkesyrebakterier

Melatonin blev også produceret industrielt ved mikrobiel fermentering, som rapporteret i [114]. Melatoninbiosyntese blev styret af multi-stamme mælkesyrebakterier, såsom Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei underart. sake, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterococcus sp. (E. faecalis TH10); og Streptococcus thermophilus. Produkterne fremstillet under denne teknologi markedsføres af Quantum Nutrition Labs (Texas, USA) som Melatonin Drops, Qultured™, indeholdende 8 mg gærmelatonin (tabel 1, produkt #3).

d. Chlorella

Et produkt fremstillet af alger er Herbatonin® (tabel 1, produkt #4), formuleret i piller indeholdende 0.3 eller 3 mg phytomelatonin, selvom det i Europa markedsføres i doser på 0.3 og 1,9 mg i henhold til EU-lovgivningen. Denne formulering indeholder flere plantearter såsom ris (Oryza sativa L.) og lucerne (Medicago sativa L.), sammen med grønalgen Chlorella pyrenoidosa og C. vulgaris. Vores data viser, at disse mikroalger ikke indeholdt mere end 2-15 ng·g DW−1 [115], og de ledsagende plantearter indeholder meget lave niveauer af phytomelatonin, 1-5 ng·g−1 i ris og 16 ng·g −1 i lucerne [116]. Tilstedeværelsen af ​​Chlorella tyder på, at phytomelatonin hovedsageligt opnås ved at dyrke de grønne alger i bioreaktorer, muligvis fodret med forstadier som tryptofan, på samme måde som i Achillea millefolium [117], selvom der ikke er offentliggjorte data om metoden til opnåelse af disse phytomelatoninrige ekstrakter, kun deres biokemiske karakterisering [118]. Der er heller ingen data om kontrol med tilstedeværelsen af ​​cyanotoksiner i disse ekstrakter på grund af mulige forurening med cyanobakterier (blågrønalger). Disse cyanotoksiner har flere uønskede virkninger relateret til blandt andet carcinogenicitet, hepatotoksicitet og neurotoksicitet. Således forstærker påvisningen af ​​cyanotoksiner i nogle algekosttilskud behovet for bedre kvalitetskontrol [119,120].

【For mere info: david.deng@wecistanche.com / WhatApp:86 13632399501】