Melatonina de microorganismos, algas y plantas como posibles alternativas a la melatonina sintética Parte 1

Abstracto: Los suplementos dietéticos de melatonina se consumen ampliamente en todo el mundo, siendo los países desarrollados los mayores consumidores, con una tasa de crecimiento anual estimada de aproximadamente el 10 % hasta 2027, principalmente en los países en desarrollo. El amplio uso de la melatonina contra los trastornos del sueño y problemas particulares, como el jet lag, se ha sumado a otras aplicaciones, como antienvejecimiento, antiestrés, activación del sistema inmunológico, anticancerígeno, y otras, que han disparado su uso, generalmente sin receta La industria química actualmente cubre el 100 por ciento de las necesidades del mercado de melatonina. Motivados por sectores con hábitos de consumo más naturales, surgió hace unos años la posibilidad de obtener melatonina de las plantas, denominada fitomelatonina. Más recientemente, la industria farmacéutica ha desarrollado microorganismos genéticamente modificados cuya capacidad para producir melatonina natural en biorreactores ha sido mejorada. Este artículo revisa los aspectos de la síntesis química y biológica de la melatonina para el consumo humano, principalmente como suplemento dietético. Se analizan los pros y los contras de obtener melatonina de microorganismos y fitomelatonina de plantas y algas, así como las ventajas de la melatonina natural, evitando subproductos químicos no deseados de la síntesis química de la melatonina. Finalmente, se analizan los aspectos económicos y de calidad de estos nuevos productos, algunos de los cuales ya están comercializados.

El glucósido de cistanche también puede aumentar la actividad de SOD en los tejidos del corazón y el hígado, y reducir significativamente el contenido de lipofuscina y MDA en cada tejido, eliminando de manera efectiva varios radicales de oxígeno reactivos (OH-, H₂O₂, etc.) y protegiendo contra el daño causado en el ADN. por radicales OH. Los glucósidos de feniletanoide de Cistanche tienen una fuerte capacidad de eliminación de radicales libres, una mayor capacidad reductora que la vitamina C, mejoran la actividad de SOD en la suspensión de esperma, reducen el contenido de MDA y tienen un cierto efecto protector sobre la función de la membrana del esperma. Los polisacáridos de cistanche pueden mejorar la actividad de SOD y GSH-Px en eritrocitos y tejidos pulmonares de ratones experimentalmente senescentes causados ​​por D-galactosa, así como reducir el contenido de MDA y colágeno en pulmón y plasma, y ​​aumentar el contenido de elastina, han un buen efecto de eliminación de DPPH, prolonga el tiempo de hipoxia en ratones senescentes, mejora la actividad de SOD en suero y retrasa la degeneración fisiológica del pulmón en ratones experimentalmente senescentes Con degeneración morfológica celular, los experimentos han demostrado que Cistanche tiene una buena capacidad antioxidante y tiene el potencial de ser un fármaco para prevenir y tratar las enfermedades del envejecimiento de la piel. Al mismo tiempo, el echinacósido en Cistanche tiene una capacidad significativa para eliminar los radicales libres DPPH y puede eliminar las especies reactivas de oxígeno, prevenir la degradación del colágeno inducida por los radicales libres y también tiene un buen efecto de reparación en el daño del anión de radicales libres de timina.

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Palabras clave: suplementos dietéticos; OMG; melatonina; microorganismos; fitomelatonina; materia prima vegetal

1. Introducción

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 por ciento en los próximos 5 años. Con este aumento considerable de la demanda, los problemas de insomnio generados por la pandemia del COVID-19 han cobrado gran relevancia [3]. América del Norte tiene el mayor consumo con diferencia, seguida de Europa. El mercado mundial de la melatonina está controlado principalmente por algunas empresas importantes, como BASF, Aspen Pharmacare Australia, Nature's Bounty, Pfizer Inc., Natrol LLC, Aurobindo Pharma y Biotics Research Co. Tenga en cuenta que el consumo de melatonina con fines médicos implica aproximadamente 50 por ciento de la melatonina sintética producida; el resto tiene aplicaciones químicas e industriales [2,4].

Biológicamente, la melatonina es una molécula ampliamente distribuida en todos los reinos de los organismos vivos [5]. Descubierta en 1958 en la glándula pineal de una vaca [6] y posteriormente en humanos [7], es una de las biomoléculas más estudiadas, y se conocen sus múltiples funciones, principalmente en mamíferos [8,9], pero también en peces [10–12], aves de corral [13,14] e invertebrados [15]. En células animales y humanas, la melatonina actúa como antioxidante, un papel relevante que se le atribuyó en 1993 [16–18]. La melatonina actúa como un interesante protector celular en situaciones de estrés, en diversos aspectos fisiológicos del ser humano, y, según múltiples estudios, beneficia una mejoría en diferentes enfermedades y disfunciones. La Figura 1 muestra algunas de las acciones protectoras y reguladoras de la melatonina en humanos y presenta a la melatonina como una interesante molécula pleiotrópica, destacándose por su relevancia, el papel de la melatonina en la regulación del metabolismo de lípidos y glucosa, induciendo resistencia a la insulina nocturna e insulina diurna. sensibilidad. Este efecto parece estar asociado con el ayuno nocturno y la alimentación diurna, evitando el aumento excesivo de peso [19]. También destacamos su papel como agente anti-oncogénico, inhibiendo el crecimiento, proliferación y metástasis de varios tumores. El tratamiento de tumores con melatonina mejoró la sensibilidad a la quimio y radioterapia, actuando como una molécula sinérgica en el control de las células cancerosas. Además, la melatonina mitiga el daño agudo a las células normales, protegiéndolas contra la toxicidad de los medicamentos, posiblemente al mejorar las respuestas inmunitarias [20–22]. Entre las disfunciones y enfermedades donde se han estudiado los efectos beneficiosos de la melatonina se encuentran las neurológicas, como el Alzheimer, el Parkinson, la fibromialgia, la depresión, el trastorno por déficit de atención con hiperactividad, el autismo y las migrañas; problemas de salud cardiovascular, que incluyen hipercolesterolemia, hipertensión, síndrome metabólico y desequilibrio glucémico; problemas de salud gastrointestinales, como reflujo gastroesofágico, úlceras y síndrome del intestino irritable; problemas de salud inmunológicos, como esclerosis múltiple, respuestas autoinmunes (estrés deportivo, estrés tóxico, psoriasis, etc.), sepsis, COVID-19, etc. [3,23–26]; y también osteopenia [27], sarcopenia [28], preeclampsia, fertilidad, síndrome de ovario poliquístico y menopausia, entre otros [29–32]. Sin embargo, a pesar de que la melatonina es una molécula que ha sido ampliamente estudiada desde la década de 1950, los estudios realizados requieren ensayos doble ciego más clínicos y extensos para aclarar su acción pleiotrópica, a veces confusa [33,34].

Sin embargo, la melatonina es bien conocida por ser la hormona que regula el sueño. Sus niveles oscilantes en el flujo sanguíneo según los periodos de luz y oscuridad (ritmos circadianos) debido a la liberación de melatonina por parte de la glándula pineal es uno de los aspectos más estudiados y conocidos de esta molécula. El aumento de los niveles de melatonina en sangre durante el primer período de sueño hasta alrededor de 150-220 polos/ml actúa sobre el inicio del sueño, reduce la latencia y la fragmentación del sueño y aumenta la duración y la calidad del sueño [1,35,36]. La melatonina actúa como un sincronizador interno del ciclo circadiano de sueño-vigilia y el ritmo estacional. En este sentido, muchos trastornos del sueño han sido tratados con melatonina, entre ellos el síndrome de fase retardada del sueño, el trastorno del sueño por turnos nocturnos, el trastorno afectivo estacional, los trastornos del sueño en ciegos y el envejecimiento, y los trastornos fisiopatológicos de los niños, con notables mejoras en la calidad del sueño. 37–41]. El trastorno más extendido que se trata con melatonina es el jet lag, una desfase en los ritmos de sueño y vigilia después de los vuelos transoceánicos [42–45]. Posiblemente, el énfasis en los estudios sobre su papel como regulador del sueño ha provocado la falta de estudios sobre su posible papel en muchos otros aspectos fisiológicos y clínicos.

La melatonina en las plantas, denominada fitomelatonina, fue descubierta simultáneamente por tres grupos de investigación en diversos materiales vegetales en 1995 [46–48]. El término fitomelatonina, que hace referencia a la melatonina de origen vegetal (plantas y algas), se utiliza para diferenciarla de la melatonina animal y/o sintética. Este término está muy extendido y se utiliza de forma continuada en estudios de fitoquímica, fisiología vegetal, botánica, química alimentaria, etc., sobre la melatonina vegetal. En las plantas, la fitomelatonina también es una molécula pleiotrópica, que presenta múltiples roles en diversas respuestas fisiológicas (Figura 1). La regulación por la melatonina de aspectos como la fotosíntesis, incluida la absorción estomática de CO2 y la economía de agua, el metabolismo de carbohidratos, lípidos, nitrógeno y azufre, y el metabolismo de fenoles, flavonoides y terpenoides simples, ha demostrado un interés crucial en los procesos básicos y técnicos del desarrollo vegetativo. (germinación, crecimiento de las plantas, enraizamiento, ramificación, etc.) y desarrollo reproductivo, incluida la fertilidad, la partenocarpia, el desarrollo de semillas y frutos, la maduración, la senescencia y la conservación de frutos y flores cortadas [49–53]. En general, la melatonina regula estos procesos a través de la acción de la red de hormonas vegetales, regulando hacia arriba o hacia abajo varios factores de biosíntesis, catabólicos y de transcripción que están relacionados con las hormonas vegetales [54–56]. Uno de los aspectos de mayor interés agronómico y biotecnológico es el papel de la fitomelatonina como promotora de tolerancia frente a estreses bióticos y abióticos [57–68] (Figura 1). Actualmente, la fitomelatonina se presenta como una interesante herramienta ecológica para el control de enfermedades biológicas y para facilitar la resistencia/adaptación de las plantas al/contra el cambio climático.

2. Biosíntesis de melatonina

La melatonina es un compuesto acetilado derivado de la serotonina. Ambas aminas indólicas se sintetizan a partir del aminoácido triptófano en una vía biosintética que ha sido ampliamente estudiada tanto en animales como en plantas [69,70]. En las plantas, el triptófano se convierte en triptamina por la enzima triptófano descarboxilasa (TDC) (Figura 2). La triptamina luego se convierte en 5-hidroxitriptamina (serotonina) mediante la triptamina 5-hidroxilasa (T5H), una enzima que se ha estudiado ampliamente en el arroz y que podría actuar con muchos sustratos, aunque esto no se ha estudiado. a fondo. La serotonina es N-acetilada por la serotonina N-acetiltransferasa (SNAT). Luego, la N-acetilserotonina es metilada por la acetilserotonina metil transferasa (ASMT), una hidroxi indol-O-metiltransferasa, que genera melatonina. En las plantas, la metilación de la N-acetilserotonina también puede ser realizada por el ácido cafeico O-metiltransferasa (COMT), una clase de enzimas que pueden actuar sobre una variedad de sustratos, incluidos el ácido cafeico y la quercetina [71]. La serotonina también puede transformarse en 5-metoxitriptamina mediante ASMT/COMT para generar melatonina después de la acción de SNAT. Esta ruta ocurriría en situaciones de senescencia y/o estrés [70,72]. Además, la melatonina se puede generar a través de la formación de N-acetiltriptamina por SNAT, que sería convertida en N-acetilserotonina por T5H [73], aunque esta ruta no ha sido demostrada, posiblemente porque T5H es la enzima menos estudiada de la ruta. (Figura 2). Curiosamente, se han identificado hasta cuatro genes que codifican histona desacetilasas (DAC) en plantas de arroz que pueden revertir los pasos de serotonina a N-acetilserotonina y de 5-metoxitriptamina a melatonina. La DAC, expresada en el cloroplasto, exhibió actividad enzimática hacia la N-acetilserotonina, la N-acetiltriptamina y la melatonina, con la mayor actividad desacetilasa para la N-acetiltiramina [74].

En las células animales, la serotonina se forma a partir del 5-hidroxitriptófano tras la acción secuencial de la triptófano hidroxilasa (TPH) y la TDC. Aunque no se ha detectado TPH en plantas, la presencia de 5-hidroxitriptófano sugirió que alguna actividad enzimática, como la de TPH, actúa en menor medida en las células vegetales. Además, la melatonina se puede generar a través de la formación de 5-metoxitriptamina, principalmente en condiciones de estrés como proponen varios autores, lo que sugiere que la ruta de biosíntesis de la melatonina puede seguir varias rutas alternativas en comparación con las células animales, con una mayor capacidad de adaptación. a los cambios metabólicos en las plantas [72,75]. Todas las enzimas mencionadas han sido detectadas y caracterizadas en arroz y Arabidopsis, excepto TPH, que es bien conocida en animales pero no en plantas. Sin embargo, algunos autores han propuesto que la T5H puede actuar como una hidroxilasa con baja especificidad de sustrato y es capaz de actuar en todos los pasos de hidroxilación descritos [70,76–79]. Esta misma especificidad de sustrato amplia también se puede atribuir a las enzimas SNAT, ASMT y COMT. Los intermedios de melatonina se producen en varios compartimentos subcelulares, como el citoplasma, el retículo endoplásmico, las mitocondrias y los cloroplastos, que determinan los pasos enzimáticos posteriores [80,81].

En microorganismos, existen pocos estudios sobre la ruta de biosíntesis de melatonina [82]. Saccharomyces y bacterias (Geobacillus, Bacillus y Pseudomonas) produjeron tanto serotonina como melatonina en diferentes concentraciones [83–89]. Además, la producción de melatonina fue evidenciada por otros autores en los cultivos de las levaduras Pichia kluyveri, Saccharomyces cerevisiae y S. uvarum y bacterias (Agrobacterium, Pseudomonas, Variovorax, Bacillus y Oenococcus) [85,90,91] y previamente en las bacterias fotosintéticas Rhodospirillum rubrum [92] y Erythrobacter longus [93] y Escherichia coli [94].

En la levadura Saccharomyces cerevisiae, a diferencia de las plantas y los animales, parece que no se produce la biosíntesis de 5-hidroxitriptófano a partir de triptófano. Curiosamente, varias de las etapas descritas parecen ser reversibles en S. cerevisiae, como entre 5-hidroxitriptófano y serotonina, N-acetilserotonina y melatonina, y 5-metoxitriptamina y melatonina [90,95], como se detalla en la Figura 2. En Bacillus amyloliquefaciens SB-9 y Pseudomonas fluorescens RG11, 5- hidroxitriptófano, serotonina y N-acetilserotonina, pero no se detectó triptamina [85,86]. Entonces, se usaron varios genes de origen bacteriano para construir una cepa de Escherichia coli productora de melatonina. Por ejemplo, se analizaron el gen DDC, que codifica una L-aminoácido descarboxilasa aromática de Candidatus Koribacter versátil Ellin 345 y Draconibacterium orientale, y el gen AANAT, que codifica una alquilamina N-acetiltransferasa de Streptomyces griseofuscus [96,97]. Sin duda, se necesitan más estudios para dilucidar las vías biosintéticas completas de la melatonina en diferentes microbios procariotas y eucariotas [82].

3. Melatonina biológica versus melatonina sintética

Inicialmente, la melatonina se obtenía para estudios experimentales y clínicos de fuentes animales (principalmente de la glándula pineal y la orina), con el consiguiente riesgo de transmisión viral [98,99]. Estas técnicas se retiraron cuando la melatonina pudo obtenerse mediante síntesis química [100]. Actualmente, toda la melatonina utilizada con fines industriales y médicos se obtiene mediante métodos de síntesis química. Estos métodos, que presentaron serios problemas en la década de 1980, incluyendo muertes por la presencia de subproductos de síntesis a partir de triptófano [101], son hoy mucho más seguros y eficientes. Sin embargo, los preparados de melatonina han descrito la presencia de todo un conjunto de subproductos indeseables por su carácter tóxico. La Figura 3 muestra tres de las rutas de síntesis química más utilizadas para la melatonina y los subproductos que se generan en su síntesis [102]. La síntesis de melatonina a partir de derivados del triptófano (Figura 3, Esquema A) genera subproductos tóxicos que en ocasiones han causado enfermedades importantes, como el síndrome de eosinofilia-mialgia [101,103,104], mientras que los métodos más actuales (Figura 3, Esquema B) para la La síntesis de melatonina a partir de ftalimida [105] plantea importantes dudas sobre la toxicidad de varios de los subproductos que se generan [106]. Además, las reacciones de indol de Fischer a partir de alilamina (Figura 3, Esquema C) presentan reactivos peligrosos y tóxicos [107].

Por otro lado, la obtención de melatonina a partir de fuentes biológicas no animales se presenta como una fuerte apuesta de futuro, no para sustituir a la melatonina sintética sino para ser una fuente alternativa y complementaria más natural [108].

4. Estrategias para obtener Melatonina Biológica

La melatonina está presente en todas las especies biológicas conocidas, desde procariotas hasta eucariotas, incluidas levaduras, algas, hongos y plantas, además de animales [80,109–111]. A continuación, se presentan las metodologías desarrolladas en microorganismos y plantas como posibles fuentes de melatonina natural.

4.1. Melatonina de Microorganismos

a. Saccharomyces

El primer acercamiento a la producción de melatonina biológica ha sido realizado recientemente por un grupo de la compañía farmacéutica danesa Novo Nordisk usando Saccharomyces cerevisiae modificada genéticamente (Tabla 1, producto #1). Germann y colaboradores construyeron una ruta de melatonina recombinante en una cepa de levadura que contenía genes heterólogos que codificaban varias enzimas de biosíntesis de melatonina y rutas de apoyo a cofactores [112]. La levadura transgénica codificó diferentes genes de Rattus norvegicus, Lactobacillus ruminis, Pseudomonas aeruginosa, Homo sapiens, Schistosoma mansoni, Bos Taurus y Salmonella enterica. Alimentando levaduras con glucosa y acetil Co-A únicamente, la producción de melatonina alcanzó 14,5 mg·L-1 a las 76 h. Sin embargo, según otros autores, deben abordarse algunos problemas, como la alta acumulación de N-acetilserotonina en las células de levadura, la expresión génica desequilibrada y la identificación de algunos intermediarios tóxicos potenciales [113].

b. Escherichia coli

En un segundo enfoque, esta vez utilizando un cultivo de Escherichia coli modificada transgénicamente (Tabla 1, producto n.° 2), Novo Nordisk informó la producción biológica de melatonina a partir de una cepa heteróloga construida a partir de E. coli recombinante, incluidos varios genes, como el gen TDC. de Candidatus Koribacter versátil, el gen SNAT de Streptomyces griseofuscus y el gen ASMT humano. Además, algunos genes relacionados con el triptófano se bloquearon o eliminaron para evitar la represión, la degradación y el transporte de exportación no deseados [96,97]. Después de varias mejoras de la cepa y alimentación con sales minerales, vitaminas y antibióticos, las células cultivadas generaron melatonina a ~1 g·L-1 usando glucosa como única fuente de carbono y hasta 2 g·L-1 en células alimentadas con triptófano, con niveles insignificantes de subproductos. Por lo tanto, según los autores, estas cepas OGM de E. coli pueden ser la base para la futura producción de melatonina biológicamente comercial utilizando fábricas de células microbianas. Sin embargo, el uso de organismos transgénicos para producir sustancias para el consumo humano puede ser problemático cuando el objetivo es llevar un producto natural a un consumidor sensibilizado o anti-OGM.

C. Bacterias de ácido láctico

La melatonina también se produjo industrialmente por fermentación microbiana, como se informó en [114]. La biosíntesis de melatonina fue dirigida por bacterias de ácido láctico de múltiples cepas, como Lactobacillus sp. (L. brevis, acidophilus, bulgaricus, casei subspec. sake, fermentum, helveticus subspec. jogorti, plantarum); Bifidobacterium sp. (B. breve spp. breve, longum spp. infantis); Enterococcus sp. (E. faecalis TH10); y Streptococcus thermophilus. Los productos fabricados bajo esta tecnología son comercializados por Quantum Nutrition Labs (Texas, EE. UU.) como Melatonin Drops, Qultured™, que contienen 8 mg de melatonina de levadura (Tabla 1, producto #3).

d. Chlorella

Un producto elaborado a base de algas es Herbatonin® (Cuadro 1, producto #4), formulado en pastillas que contienen 0.3 o 3 mg de fitomelatonina, aunque en Europa se comercializa en dosis de 0.3 y 1,9 mg, según las leyes de la UE. Esta formulación contiene varias especies vegetales como el arroz (Oryza sativa L.) y la alfalfa (Medicago sativa L.), junto con el alga verde Chlorella pyrenoidosa y C. vulgaris. Nuestros datos muestran que estas microalgas no contenían más de 2–15 ng·g DW−1 [115], y las especies de plantas asociadas contienen niveles muy bajos de fitomelatonina, 1–5 ng·g−1 en el arroz y 16 ng·g −1 en alfalfa [116]. La presencia de Chlorella sugiere que la fitomelatonina se obtiene principalmente cultivando las algas verdes en biorreactores, posiblemente alimentados con precursores como el triptófano, de forma similar a Achillea millefolium [117], aunque no existen datos publicados sobre el método de obtención de estos extractos ricos en fitomelatonina, únicamente su caracterización bioquímica [118]. Tampoco existen datos sobre el control de la presencia de cianotoxinas en estos extractos debido a las posibles contaminaciones por cianobacterias (algas verdeazuladas). Estas cianotoxinas tienen varios efectos no deseados relacionados con carcinogenicidad, hepatotoxicidad y neurotoxicidad, entre otros. Por lo tanto, la detección de cianotoxinas en algunos suplementos dietéticos de algas refuerza la necesidad de un mejor control de calidad [119,120].

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