Gebruikmakend van de natuurlijke manieren om sulfaatgroepen toe te voegen door enzymen, wetenschappers van het Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability aan de Technische Universiteit van Denemarken (DTU) hebben voor het eerst aangetoond hoe een breed scala aan gesulfateerde fenolverbindingen kan worden geproduceerd in microbiële gastheren-celfabrieken. Dit baanbrekende onderzoek, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , maakt grootschalige productie van gesulfateerde fenolverbindingen door fermentatie mogelijk.

"De perspectieven zijn verstrekkend, aangezien sulfatering kan worden gebruikt voor een breed scala aan producten, zoals aangroeiwerende middelen en geneesmiddelen. Dit werk kan in de toekomst goedkopere en betere medicijnen betekenen, evenals biochemicaliën en polymeren met nieuwe eigenschappen, ", zegt corresponderende auteur professor Alex Toftgaard Nielsen van The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Hij is ook CSO bij Cysbio - een bedrijf dat zich bezighoudt met het commercialiseren van producten van, onder andere, gesulfateerde moleculen.

Fenolverbindingen zijn aromatische moleculen die worden gebruikt in gebieden zoals geneeskunde, nutraceuticals en andere antioxidanten, en in de cosmetische en polymeerindustrie. Het toevoegen van sulfaatresiduen aan fenolische verbindingen kan de zuurgraad en oplosbaarheid van een molecuul verhogen en de toxiciteit ervan verminderen.

Als proof of concept voor het sulfateringsproces in celfabrieken, de onderzoekers wilden zosterinezuur produceren. Dit zuur komt voor in zeegras en is een krachtig aangroeiwerend middel. Gebruikt in scheepsverf, het zou mogelijk de groei van algen op de romp kunnen remmen. Verder, het heeft toepassingen in ontsmettingsmiddelen, waar het de aanhechting van bacteriën op oppervlakken (biofilms) kan voorkomen, b.v. in ziekenhuizen.

Vandaag, zosterinezuur kan worden gewonnen uit plantaardig materiaal, maar de titers zijn laag, en de kosten zijn hoog. Zosterinezuur kan ook chemisch worden gesynthetiseerd, maar dit vereist zware chemische omstandigheden en genereert veel chemisch afval. Dus, een biologisch proces heeft de voorkeur.

De onderzoekers moesten verschillende genen in de celfabriek her-engineeren en opnieuw bedraden om het sulfateringsproces te optimaliseren. Dit gebeurde zowel door de sulfaatopname te verbeteren als door de beschikbaarheid van het sulfaatdonorenzym in de cel te optimaliseren.

Het resultaat was een productie van maximaal vijf gram per liter zosterinezuur in een zogenaamde fed-batch fermentatie. Deze opbrengst is indrukwekkend, aangezien de natuur normaal gesproken zosterinezuur slechts in zeer kleine hoeveelheden produceert, en omdat chemische synthese extreem moeilijk en duur is.

biologisch, zosterinezuur wordt aangemaakt door een enzym (sulfotransferase) dat een sulfaatzijgroep overbrengt naar een specifieke bouwsteenmolecuul. Daarom, de onderzoekers isoleerden sulfotransferasen uit mensen, fruitvliegjes, zeegras, ratten, kippen, konijnen, honden, wormen, zebravissen en varkens om de meest efficiënte te vinden. Het winnende enzym werd in feite geïsoleerd uit rattenlever en werkte uitstekend in de microbiële productiegastheer.

Met behulp van deze methode, de onderzoekers vonden ook sulfotransferasen die de krachtige antioxidant resveratrol die in rode wijn wordt aangetroffen, kunnen sulfateren. Vandaag, vanwege het zeer lage gehalte aan druiven, vervelende zuiveringsprocessen en de noodzaak van agressieve chemicaliën, extractie van resveratrol uit planten is moeilijk, tijdrovend en onhoudbaar.

bij druiven, resveratrol wordt aangetroffen in een inactieve niet-gesulfateerde vorm. Het menselijk lichaam binnengaan, resveratrol wordt door de lever gesulfateerd om actief te worden, die het molecuul zijn antioxiderende eigenschappen geeft. Dus, in staat zijn om grote hoeveelheden gesulfateerde resveratrol te produceren in celfabrieken, opent de productie van een actievere en biologisch beschikbare antioxidant, een proces dat ook kan worden gebruikt om de eigenschappen van geneesmiddelen te wijzigen.

Verder, de onderzoekers toonden aan dat sommige van de sulfotransferasen ook vanillezuur konden sulfateren. Dit, te, is een product dat gemaakt kan worden in een microbiële celfabriek en marktpotentieel heeft.

"Vanuit een wetenschappelijk perspectief, in staat zijn om gesulfateerde fenolverbindingen te produceren in microbiële celfabrieken is fantastisch, maar het kan ook maatschappelijke gevolgen hebben, aangezien deze moleculen toepassingen hebben als biochemicaliën, als nutraceuticals en zelfs als drugs, " zegt de eerste auteur van de studie, Christiaan Bille Jendresen, R&D Director of Sulfation Technologies bij het startende bedrijf Cysbio, die is voortgekomen uit het Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU.

"We kunnen een breed scala aan interessante chemicaliën creëren die op verschillende manieren op de markt zullen komen, " hij zegt.

Dit baanbrekende werk heeft de productie mogelijk gemaakt van een nieuwe klasse van gesulfateerde biochemicaliën die waarschijnlijk veel biotechnologische toepassingen zullen vinden.