Стероиды представляют собой семейство терпеноидных липидов, широко распространенных в природе, которые представляют собой относительно жесткую общую структуру, называемую гонаном, образованную четырьмя конденсированными алициклическими кольцами. Состояние окисления стероидных ядер и наличие различных функциональных групп определяют биологические свойства каждой стероидной молекулы, т.е. ее биологическую функцию.
Стероидные соединения играют важную биологическую роль в различных организмах, включая стабилизацию клеточной мембраны и регуляцию соответствующих клеточных процессов, таких как пролиферация клеток и дифференцировка тканей.
Например, стерины, имеющие гидроксильную группу у С-3 и боковую цепь из восьми или более атомов углерода у С-17, действуют в качестве стабилизирующих агентов в клеточных мембранах животных (холестерин), растений (фитостеролы), дрожжей и грибов (эргостерин) и некоторые бактерии (например, ланостерол).
Стероидные соединения также являются релевантными источниками углерода и энергии для различных бактерий и участвуют в различных клеточных механизмах сигнализации.
Лекарства на основе стероидов находят широкое терапевтическое применение и представляют собой самую высокую категорию фармацевтических препаратов после антибиотиков с годовым объемом производства более миллиона тонн.
Биотехнология стероидов
Первые исследования по синтезу стероидов были проведены в начале двадцатого века и значительно увеличились в 1950-х годах благодаря открытию фармакологических свойств прогестерона и гидрокортизона.
Однако потенциал микробной биотрансформации стероидов известен уже несколько десятилетий, поскольку ее применение имеет ряд преимуществ перед химическим синтезом:
- регио- или стереоспецифическая функционализация молекул в положениях, не всегда доступных для химических агентов,
- множественные последовательные реакции, осуществляемые за один этап эксплуатации,
- более экологически чистые процессы (т.е. условия мягкой реакции, водные среды).
Одна из первых демонстраций этого потенциала была описана с производством кортизона. Традиционно кортизон синтезировали из дезоксихолевой кислоты в многостадийном химическом процессе (31 стадия), характеризующемся низким выходом по массе (0,16%) и высокими экономическими затратами. Включение биотрансформационного этапа с Rhizopus arrhizus и Aspergillus niger позволило значительно сократить количество необходимых химических стадий (11 стадий) и производственные затраты промышленного процесса.
Аналогичным образом, в последние десятилетия на смену другим химическим этапам пришли микробиологические биоконверсии в процессах синтеза стероидов, что привело к повышению конкурентоспособности и надежности промышленных процессов. Например, стероидный гормон тестостерон (ТС) химически синтезирован из промежуточного 4-андростина-3,17-диона (AD), который ранее получался из природных стеролов путем микробной биотрансформации.
Эти биологические процессы, традиционно классифицируемые в рамках «белой» или промышленной биотехнологии, были разработаны главным образом с помощью традиционных подходов, основанных на выделении микроорганизмов, которые продуцируют интересующую молекулу или которые биокатализируют определенный процесс, и их последующем улучшении посредством утомительных физических или химических процессов.
Тем не менее, в последние годы были разработаны новые биопроцессы, основанные на рекомбинантных подходах к технологии ДНК, которые открывают новые возможности для создания более надежных и универсальных заводов по производству микробных клеток для производства стероидов.
Независимо от вышеперечисленных подходов, биопроцессы синтеза стероидов можно разделить на три группы:
- биопроцессы для производства стероидных промежуточных продуктов из природных стероидов,
- биопроцессы для модификации и/или функционализации стероидных молекул,
- новый биосинтез стероидов.
Современные достижения стероидной биотехнологии
Микробиологическое производство стероидных промежуточных продуктов из стеролового волокна
Природные сапогенины, такие как диосгенин, использовались в качестве основных предшественников в химии стероидов на протяжении десятилетий.
Например, ацетат 16-дегидропрегненолона, полученный из диосгенина, может быть превращен в ценные стероиды с помощью процессов химического синтеза. Диосгенин также может быть превращен в стероидные промежуточные соединения с терапевтической активностью путем микробной биотрансформации.
Тем не менее, использование сапогенинов в качестве сырья значительно сократилось, поскольку оно имеет несколько недостатков: высокие затраты, многократные стадии, низкие урожаи и истощение ресурсов диких растений.
Таким образом, сапогенины постепенно заменяются несколькими природными стеролами (например, фитостеролами, холестерином), которые также могут быть биотрансформированы в стероидные производные со свойствами, подобными определенным половым гормонам. Эти стероидные производные, которые на самом деле являются промежуточными или побочными продуктами катаболического пути стеролов, в настоящее время используются в качестве основных предшественников (синтонов) для химического синтеза препаратов на основе стероидов, таких как кортикостероиды, минералокортикоиды.
Несколько видов фитостеролов (например, соя, сосна, отходы бумажной промышленности) обычно используются в качестве промышленного сырья вместо холестерина (получаемого из животных жиров и масел), благодаря тщательному контролю качества, необходимому для использования любого типа основного предшественника животных.
Микробная функционализация стероидных молекул
Химическая модификация стероидных молекул привлекает значительное внимание в последние десятилетия. Реакции окисления, гидроксилирования и окислительно-восстановительного (окислительно-восстановительного) реакций Байера-Виллигера являются одними из наиболее важных модификаций (функционализаций), выполняемых на стероидных соединениях с помощью процессов химического синтеза.
Эти и другие функционализации стероидов могут альтернативно быть выполнены с помощью биокаталитических процедур. Например, окислительно-восстановительные реакции, такие как окисление спиртов, восстановление карбонильных групп, дегидрирование связей C-C или гидрирование двойных связей C-C, могут быть катализированы специфическими ферментами.
Для выполнения этих химических функций на стероидных молекулах в промышленном масштабе часто используются несколько микроорганизмов «дикого» типа, которые обладают интересующей стероид-модифицирующей ферментативной активностью.
Поскольку эти биоконверсии часто демонстрируют различные недостатки, такие как низкая селективность и выход конверсии субстрата, и могут даже требовать культивирования условно-патогенных микроорганизмов (например, Rhizopus oryzae), в последние годы было предложено разработать альтернативные подходы с использованием технологий рекомбинантных ДНК.
Однако, ни один из биопроцессов, разработанных с использованием технологий рекомбинантной ДНК, не был промышленно внедрен из-за низких показателей конверсии субстрата, которые, как представляется, являются следствием неэффективной транспортировки стероидов.
По этой причине рациональное генетическое улучшение микроорганизмов, способных эффективно транспортировать и модифицировать стероиды, может оказаться сложным подходом.
