Utnyttja naturens sätt att tillsätta sulfatgrupper med enzymer, forskare vid Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability vid Danmarks tekniska universitet (DTU) har för första gången visat hur man producerar ett brett spektrum av sulfaterade fenolföreningar i mikrobiella värdar - cellfabriker. Denna banbrytande forskning, publicerad i Naturkommunikation , möjliggör storskalig produktion av sulfaterade fenolföreningar genom jäsning.

"Perspektiven är långtgående eftersom sulfatering kan användas för ett brett utbud av produkter som antifoulingmedel och läkemedel. Detta arbete kan innebära billigare och bättre läkemedel i framtiden samt biokemikalier och polymerer med nya egenskaper, "säger motsvarande författare professor Alex Toftgaard Nielsen från Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability. Han är också CSO på Cysbio - ett företag som arbetar med att kommersialisera produkter från, bland annat, sulfaterade molekyler.

Fenoliska föreningar är aromatiska molekyler som används inom områden som medicin, näringsämnen och andra antioxidanter, och inom kosmetik- och polymerindustrin. Att tillsätta sulfatrester till fenolföreningar kan öka surheten och lösligheten hos en molekyl samt minska dess toxicitet.

Som ett bevis på konceptet för sulfateringsprocessen i cellfabriker, forskarna ville producera zosterinsyra. Denna syra finns i den marina växten ålgräs och är ett kraftfullt antifoulingmedel. Används i fartygsfärg, det kan potentiellt hämma tillväxten av alger på skrovet. Vidare, den har applikationer i desinfektionsmedel, där det kan förhindra fastsättning av bakterier på ytor (biofilmer) t.ex. på sjukhus.

I dag, zosterinsyra kan extraheras från växtmaterial, men titrarna är låga, och kostnaden är hög. Zosterinsyra kan också syntetiseras kemiskt, men detta kräver hårda kemiska förhållanden och genererar mycket kemiskt avfall. Således, en biologisk process är att föredra.

Forskarna var tvungna att konstruera om och leda om flera gener inom cellfabriken för att optimera sulfateringsprocessen. Detta gjordes både genom att förbättra sulfatupptagningen och genom att optimera tillgängligheten av sulfatgivarenzymet i cellen.

Resultatet blev produktion av upp till fem gram per liter zosterinsyra vid en så kallad jäsningssats. Detta utbyte är imponerande, eftersom naturen normalt bara producerar zosterinsyra i mycket låga mängder, och eftersom kemisk syntes är extremt svår och dyr.

Biologiskt sett zosterinsyra skapas av ett enzym (sulfotransferas) som överför en sulfatsidgrupp till en specifik byggstenmolekyl. Därför, forskarna isolerade sulfotransferaser från människor, fruktflugor, ålgräs, råttor, kycklingar, kaniner, hundar, maskar, zebrafiskar och grisar för att hitta den mest effektiva. Det vinnande enzymet isolerades faktiskt från råttlever och fungerade utmärkt i den mikrobiella produktionsvärden.

Med denna metod, forskarna hittade också sulfotransferaser som kan sulfatera den kraftfulla antioxidanten resveratrol som finns i rött vin. I dag, på grund av dess mycket låga halt i druvor, tråkiga reningsprocesser och behovet av hårda kemikalier, resveratrol extraktion från växter är svårt, tidskrävande och ohållbart.

I druvor, resveratrol finns i en inaktiv osulfaterad form. In i människokroppen, resveratrol sulfateras av levern för att bli aktiv, vilket ger molekylen dess antioxidantegenskaper. Således, att kunna producera stora mängder sulfaterad resveratrol i cellfabriker öppnar för produktion av en mer aktiv och biotillgänglig antioxidant, en process som också kan användas för att modifiera läkemedlets egenskaper.

Vidare, forskarna visade att några av sulfotransferaserna också kunde sulfatera vanillinsyra. Detta, för, är en produkt som kan tillverkas i en mikrobiell cellfabrik och har marknadspotential.

"Ur ett vetenskapligt perspektiv, att kunna producera sulfaterade fenolföreningar i mikrobiella cellfabriker är fantastiskt, men det kan också ha samhälleliga effekter eftersom dessa molekyler har tillämpningar både som biokemikalier, som näringsläkemedel och till och med som läkemedel, "säger författaren till studien, Christian Bille Jendresen, R &D-chef för Sulfation Technologies på nystartade företaget Cysbio, som har sprungit ur The Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, DTU.

"Vi kan skapa ett brett utbud av intressanta kemikalier som kommer att hitta olika vägar in på marknaden, " han säger.

Detta banbrytande arbete har således möjliggjort produktionen av en ny klass av sulfaterade biokemikalier som sannolikt kommer att hitta många biotekniska tillämpningar.